Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

Graduação → Termodinâmica → Calor e trabalho ↓


Ciclo de Carnot e eficiência


O ciclo de Carnot é um conceito fundamental na termodinâmica. Nomeado em homenagem ao físico francês Nicolas Leonard Sadi Carnot, o ciclo fornece um modelo ideal de como motores convertem calor em trabalho. É importante porque define o limite superior da eficiência que pode ser alcançada por qualquer motor térmico e, assim, serve como um ponto de referência para motores do mundo real.

O ciclo de Carnot: uma visão geral

O ciclo de Carnot consiste em quatro processos reversíveis: dois processos isotérmicos (temperatura constante) e dois processos adiabáticos (sem troca de calor). Este ciclo teórico serve como o ciclo de motor térmico mais eficiente permitido pelas leis da física.

1. Expansão isotérmica

Durante a primeira fase, o gás no motor é posto em contato com um reservatório quente. Ele passa por uma expansão isotérmica, o que significa que se expande a uma temperatura constante. O calor absorvido do reservatório faz o gás expandir e realizar trabalho sobre o ambiente. Matematicamente, o trabalho realizado durante este processo pode ser representado como:

W1 = Qh = nRT1 ln(V2/V1)

Onde ( Qh ) é o calor absorvido do reservatório quente, ( n ) é o número de moles de gás, ( R ) é a constante do gás ideal, ( T1 ) é a temperatura do reservatório quente, e ( V2 ) e ( V1 ) são os volumes final e inicial do gás, respectivamente.

2. Expansão adiabática

Na fase de expansão adiabática, o gás continua a se expandir, realizando trabalho sobre o ambiente. No entanto, ao contrário da expansão isotérmica, ele não absorve calor. Como resultado, a temperatura do gás diminui de ( T1 ) para ( T2 ).

3. Compressão isotérmica

O gás agora entra em contato com o reservatório frio. Durante esta fase, o gás é comprimido a uma baixa temperatura constante (T2), e libera calor (Qc) para o reservatório frio. O trabalho realizado sobre o gás é dado por:

W3 = -Qc = nRT2 ln(V3/V4)

Nesta equação, ( V3 ) e ( V4 ) são os volumes inicial e final no processo de compressão.

4. Compressão adiabática

Finalmente, o gás é comprimido adiabaticamente, o que significa que não há troca de calor com o ambiente, e a temperatura do gás retorna a (T1).

Eficiência de Carnot

A eficiência de um motor térmico é uma medida de quão bem ele converte calor de um reservatório quente em trabalho. Para um motor de Carnot, essa eficiência é dada por:

η = 1 - (T2/T1)

Aqui, ( T1 ) e ( T2 ) são as temperaturas absolutas dos reservatórios quente e frio, respectivamente. Esta fórmula nos diz que a eficiência depende da razão de temperatura dos dois reservatórios.

A eficiência de Carnot mostra que, para alcançar alta eficiência, a temperatura do reservatório quente deve ser a mais alta possível, e a temperatura do reservatório frio deve ser a mais baixa possível.

Entendendo a eficiência de Carnot com exemplos

Vamos tomar alguns exemplos para entender como o ciclo de Carnot e a eficiência funcionam:

Exemplo 1: Considere um motor de Carnot operando entre um reservatório quente a 500 K e um reservatório frio a 300 K.

Usando a fórmula de eficiência:

η = 1 - (T2/T1) = 1 - (300/500) = 0.4

Essa eficiência de 0.4 ou 40% indica que 40% do calor absorvido é convertido em trabalho, enquanto os 60% restantes são dissipados no armazenamento frio.

Exemplo 2: Um refrigerador de Carnot opera entre os mesmos limites de temperatura, 500 K e 300 K. A eficiência, ou coeficiente de desempenho (COP), do refrigerador é dada pela fórmula:

COP = T2/(T1 - T2)

Ao substituir os valores, obtemos:

COP = 300/(500 - 300) = 1.5

Isso significa que o refrigerador pode remover 1.5 unidades de calor do espaço resfriado para cada unidade de trabalho.

Visualização do ciclo de Carnot

Uma representação gráfica do ciclo de Carnot pode ser mostrada em um diagrama de pressão-volume (PV). Neste diagrama, podemos ver as mudanças que ocorrem durante o ciclo:

Expansão isotérmica Processo adiabático Compressão isotérmica Processo adiabático

Neste diagrama PV:

  • As seções horizontais vermelhas mostram processos isotérmicos ocorrendo a uma temperatura constante.
  • As áreas azul e verde representam processos adiabáticos, onde não ocorre troca de calor.

Importância do ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é importante na termodinâmica por várias razões:

  • Eficiência máxima: Ele define a eficiência máxima que pode ser alcançada por um motor térmico.
  • Padrão para motores reais: Ele atua como um padrão contra o qual motores reais são comparados.
  • Base da Segunda Lei: Ele estabelece o princípio de que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor de Carnot operando entre os mesmos limites de temperatura.

Relevância no mundo real

Embora motores reais não possam alcançar a eficiência completa do ciclo de Carnot devido a perdas inevitáveis (como fricção, dissipação de calor, etc.), princípios derivados do ciclo de Carnot são aplicados para aumentar a eficiência de motores práticos, variando de motores de carros a usinas de energia.

Engenheiros modernos usam o ciclo de Carnot como um ponto de referência para projetar motores que são o mais próximo possível desta eficiência ideal. Isso inclui inovações no design de materiais e processos termodinâmicos voltados a maximizar a diferença de temperatura enquanto minimizam as perdas.

Conclusão

O ciclo de Carnot fornece uma compreensão fundamental de como os motores térmicos funcionam e destaca as restrições impostas pelas leis da termodinâmica. A compreensão deste ciclo e sua eficiência não só aumenta a compreensão acadêmica, como também as aplicações práticas no aprimoramento de sistemas de aquecimento e refrigeração que são parte integrante da tecnologia moderna.

Ao explorar o ciclo de Carnot, físicos e engenheiros ambiciosos compreendem o equilíbrio entre temperatura, transferência de energia e trabalho, levando a inovações que impactam nossas vidas diárias, indústrias e a economia global de energia.


Graduação → 3.2.4


U
username
0%
concluído em Graduação

← Anterior (3.2.3)
Motores térmicos e refrigeradores
Próximo (3.3) →
Mecânica estatística

Comentários 



Ciclo de Carnot e eficiência

https://www.physicsflow.com/ug/3.2.4?pfal=pt