Termodinâmica

Ciclo de Carnot

O ciclo mais eficiente: η = 1 − Tc/Th.

Ciclo de Carnot — simulação interativa de Termodinâmica. O ciclo mais eficiente: η = 1 − Tc/Th. Laboratório virtual de física gratuito no navegador com medições SI ao vivo e tutorial guiado.

Eficiência de Carnot

O ciclo mais eficiente: η = 1 − Tc/Th.

Um motor de Carnot opera reversivelmente entre dois reservatórios. Cada etapa é isotérmica (troca de calor a T fixa) ou adiabática (sem calor). Nenhum motor real pode superar essa eficiência porque a irreversibilidade desperdiça energia útil como produção de entropia.

• η = 1 − T_c/T_h
• η máximo

Resumo da investigação

Planeje a pergunta antes de abrir o laboratório

O resumo espelha a página pré-renderizada: a pergunta orientadora, as previsões concorrentes, os papéis das variáveis, as leis governantes, a configuração e os prompts de análise e extensão permanecem visíveis e nesta ordem.

Pergunta de direção

Uma máquina de Carnot transporta gás através de 4 etapas (expansão isotérmica, expansão adiabática, compressão isotérmica, compressão adiabática) de volta ao seu estado inicial. A energia interna do gás muda ao longo de um ciclo completo?

Previsões para pesar

• A energia interna aumenta ao longo do ciclo, uma vez que o gás realiza um trabalho líquido positivo.
• A energia interna retorna ao seu valor inicial – variação líquida zero ao longo de um ciclo fechado.
• A energia interna diminui ao longo do ciclo.

Papéis variáveis

O que você definiu:

• Número da etapa

O que você mede:

• Volume alvo da etapa V (L)
• Trabalho realizado pelo gás nesta etapa (J)

Como funciona a investigação

1. Abra o preset do ciclo de Carnot e pressione Redefinir. 1 mol de argônio (f = 3) percorre um ciclo entre um reservatório quente de 600 K e um reservatório frio de 300 K.
2. Ative a leitura de trabalho por etapa.
3. Para cada etapa do ciclo (1 a 4), leia o volume alvo da etapa e o trabalho realizado pelo gás durante essa etapa.

Equação governante

Eficiência de Carnot — η_c = 1 − Tc / Th

A eficiência máxima possível de qualquer máquina térmica operando entre um reservatório quente Th e um reservatório frio Tc depende apenas da sua relação de temperatura: η_c = 1 − Tc/Th.

O que a planilha para impressão pede aos alunos que resolvam

• Some os valores de trabalho de suas 4 legs. Compare o total com nR(Th − Tc)·ln(2) (aproximadamente, para as proporções de volume deste ciclo) e compare a eficiência do ciclo η = W_net/Qin com o valor de Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Duas etapas realizam trabalho positivo (expansão) e duas têm trabalho negativo (compressão). Explique por que o trabalho *líquido* ao longo do ciclo completo ainda é positivo, tornando este um motor térmico em vez de um ciclo sem fazer nada.

Onde isso aparece além do laboratório

• Nenhum motor real operando entre as mesmas temperaturas de dois reservatórios pode superar a eficiência de Carnot. Explique, usando η_c = 1 − Tc/Th, por que um motor poderia atingir eficiência 100% apenas se Tc = 0 K — fisicamente inacessível.
• O ciclo de Carnot é construído inteiramente a partir de etapas reversíveis (isotérmicas e adiabáticas, ambas idealizadas como infinitamente lentas). Explique por que um motor real, que inevitavelmente tem atrito e transferência de calor em velocidade finita, nunca consegue atingir essa eficiência ideal.

• AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
• IB Physics — B.4 Thermodynamics
• General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
• NGSS High School Physics — Thermal energy transfer

1. Bem-vindo ao ciclo de Carnot
2. Selecione a câmara
3. Pressione Reproduzir
4. eficiência máxima
5. Abra o Inspetor
6. Você conseguiu!

Abra a simulação interativa para construir a cena, pressione Reproduzir e explore com medições em tempo real e um tutorial guiado.

Abrir laboratório interativo →

Baixe a planilha do laboratório →

Motores Térmicos & Eficiência de Carnot