No ano de 1824 foi idealizada uma máquina térmica cujo rendimento seria máximo. Isso foi feito por Carnot, um cientista e engenheiro francês. A máquina foi desenvolvida e funcionava pelo ciclo de Carnot, atuando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas de forma alternada. Isso permitia que houvesse uma perda menor de energia para o meio externo.
O ciclo seria, independentemente da substância usada, composto por quatro processos.
O primeiro, consiste em uma expansão isotérmica reversível. Neste processo, o sistema recebe uma determinada quantidade de calor da fonte de aquecimento. O segundo, é uma expansão adiabática reversível, sendo que o sistema não troca calor com as fontes térmicas. O terceiro, por sua vez, é uma compressão isotérmica reversível em que o sistema cede calor para a fonte de resfriamento. E por fim, o quarto processo, trata-se de uma compressão adiabática reversível em que o sistema não troca calor com as fontes térmicas.
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Rendimento e objetivo
O rendimento desta máquina de Carnot é o máximo de uma máquina térmica que esteja trabalhando entre determinadas temperaturas entre quente e fria. Esse rendimento, no entanto, nunca chega aos 100%.
O rendimento de uma máquina de Carnot em porcentagem é igual à
Sendo que é a temperatura da fonte fria medida em Kelvin, e é a temperatura da fonte quente também medida em Kelvin.
A grande utilidade deste equipamento foi descobrir se uma máquina térmica teria um bom rendimento, analisando desta forma se é viável para uma empresa.
Funcionamento
Confira abaixo uma imagem e a explicação do funcionamento desta máquina na prática.
Conforme demonstrado na imagem acima, o gás, partindo de A, realiza uma expansão isotérmica AB, sendo que recebe o calor de Q1. Depois, acontece uma expansão adiabática BC sem ocorrer troca de calor. Com temperatura T2 da fonte fria se verifica a compressão térmica CD. Nesta, há a rejeição do gás da quantidade Q2 que não se transformou em trabalho. DA é a compressão adiabática que se completa sem que haja troca de calor.
Neste experimento, podemos afirmar que:
Além disso, podemos dizer que o rendimento pode ser descrito da seguinte maneira:
Podemos concluir, com esse experimento, que o para o Ciclo de Carnot, o rendimento é uma função exclusiva das temperaturas absolutas de ambas fontes: quentes e frias.
O rendimento máximo para uma máquina térmica é igual à:
E nunca será possível ter T1 = 0 e |T2| > |T1|, portanto é possível determinar que uma máquina térmica nunca poderá ter o rendimento de 1, ou seja, ela nunca será capaz de transformar todo o calor que é fornecido em trabalho.
