O ciclo invertido de Carnot: uma geladeira
1 · Prever
Executar o ciclo de Carnot ao contrário transforma um motor em um refrigerador – a rede entra em vez de sair. O gás ainda absorve calor do reservatório frio, como uma geladeira de verdade retirando calor de seu interior?
- Não – reverter o ciclo também inverte qual reservatório absorve calor.
- Um ciclo reverso não troca calor com nenhum dos reservatórios.
- Sim – o ciclo inverso absorve calor do lado frio e despeja mais calor no lado quente, usando o trabalho de entrada para isso.
2 · Preparar
- Abra a predefinição Carnot-Fridge e pressione Redefinir. As mesmas 4 etapas do ciclo de carnot são executadas na ordem inversa.
- Habilite a leitura de trabalho por etapa e as leituras de COP de resfriamento/aquecimento.
- 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, traçando as etapas em ordem. Compare a direção do deslocamento (sentido horário ou anti-horário) com o diagrama do experimento do ciclo de Carnot.
4 · Analisar
- Some os valores do trabalho das 4 etapas - o total (trabalho líquido realizado PELO gás) deve ser negativo, o que significa que o trabalho líquido deve ser fornecido AO gás. Calcule o COP de resfriamento = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 e o COP de aquecimento = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Compare a ordem das etapas aqui com a ordem das etapas do ciclo de Carnot. Explique como simplesmente inverter a sequência das mesmas 4 etapas inverte o ciclo de um motor (resultado líquido) para um refrigerador (entrada líquida).
5 · Aprofundar
- Um COP de resfriamento de 1.0 significa que o refrigerador move 1 J de calor para fora do espaço frio para cada 1 J de trabalho fornecido. Um COP de aquecimento de 2.0 (modo bomba de calor) significa que fornece 2 J de calor ao espaço quente por 1 J de trabalho. Explique por que COP_heat é sempre exatamente 1 mais que COP_cool para os mesmos reservatórios.
- Ao contrário da eficiência do motor (sempre ≤ 1), o COP pode exceder 1 — isso não é uma violação da conservação de energia. Explique por que COP > 1 é possível: a energia extra fornecida vem do resfriamento do reservatório e não é criada do nada.
A física por trás deste experimento
Coeficiente de desempenho do refrigerador
O desempenho de resfriamento de um ciclo de Carnot invertido é medido por COP_cool = Tc/(Th − Tc): quanto calor é removido do espaço frio por unidade de trabalho fornecida. Intervalos de temperatura menores proporcionam um COP melhor (mais alto).