O Ciclo de Carnot: Eficiência Máxima Possível do Motor
1 · Prever
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?
- 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.
2 · Preparar
- 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.
- Ative a leitura de trabalho por etapa.
- Para cada etapa do ciclo (1 a 4), leia o volume alvo da etapa e o trabalho realizado pelo gás durante essa etapa.
3 · Coletar Dados
| Número da etapa | Volume alvo da etapa V (L) | Trabalho realizado pelo gás nesta etapa (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esboce o diagrama P-V para todas as 4 etapas , marcando se cada etapa é isotérmica ou adiabática e se o gás realiza trabalho positivo ou negativo.
4 · Analisar
- 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.
5 · Aprofundar
- 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.
A física por trás deste experimento
Eficiência de Carnot
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.