Ciclo de Carnot

Termodinâmica é um ramo da física que lida com a energia e o trabalho de um sistema. A termodinâmica lida com a resposta em larga escala de um sistema que podemos observar e medir em experimentos.

É possível realizar uma série de processos, nos quais o estado é alterado durante cada processo, mas o gás eventualmente retorna ao seu estado original. Tal série de processos é chamada de ciclo e forma a base para a compreensão dos motores. O Ciclo Carnot é um dos ciclos termodinâmicos fundamentais e é descrito nesta página da web. Vamos utilizar o diagrama ap-V para traçar os vários processos do Ciclo Carnot. O ciclo começa com um gás, de cor amarela na figura, que está confinado num cilindro, de cor azul. O volume do cilindro é alterado por um pistão vermelho em movimento, e a pressão é alterada colocando pesos sobre o pistão. Temos duas fontes de calor; a vermelha está a 300 graus nominais, e a roxa está a 200 graus. Inicialmente, o gás está no estado 1 a alta temperatura, alta pressão e baixo volume.

• O primeiro processo realizado sobre o gás é uma expansão isotérmica. A fonte de calor de 300 graus é colocada em contato com o cilindro, e o peso é removido, o que diminui a pressão no gás. A temperatura permanece constante, mas o volume aumenta. Durante o processo de Estado 1 a Estado 2, o calor é transferido da fonte para o gás para manter a temperatura. Vamos notar a transferência de calor por Q1 para o gás.
• O segundo processo realizado sobre o gás é uma expansão adiabática. Durante um processo adiabático nenhum calor é transferido para o gás. O peso é removido, o que diminui a pressão no gás. A temperatura diminui e o volume aumenta à medida que o gás se expande para encher o volume. Durante o processo do Estado 2 ao Estado 3, não é transferido calor.
• O terceiro processo realizado sobre o gás é uma compressão isotérmica. A fonte de calor de 200 graus é colocada em contato com o cilindro, e o peso é adicionado, o que aumenta a pressão no gás. A temperatura permanece constante, mas o volume diminui. Durante o processo de Estado 3 a Estado 4, o calor é transferido do gás para a fonte de calor para manter a temperatura. Vamos notar a transferência de calor por Q2 para longe do gás.
• O quarto processo realizado sobre o gás é uma compressão adiabática. O peso é adicionado, o que aumenta a pressão no gás. A temperatura aumenta e o volume diminui à medida que o gás é comprimido. Durante o processo do Estado 4 ao Estado 1 não é transferido calor.

No final do quarto processo, o estado do gás voltou ao seu estado original e o ciclo pode ser repetido quantas vezes desejar. Durante o ciclo, o trabalho W foi produzido pelo gás, e a quantidade de trabalho é igual à área fechada pelas curvas do processo. A partir da primeira lei da termodinâmica, a quantidade de trabalho produzido é igual ao calor líquido transferido durante o processo:

W = Q1 – Q2

O Ciclo de Carnot tem funcionado como um motor, convertendo o calor transferido para o gás durante os processos em trabalho útil. Um ciclo similarBrayton explica como funciona o motor de turbina agas, e anOtto Cycle explica como funciona o motor de combustão interna.

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