Ciclo de Carnot

O trabalho líquido e a eficiência de um ciclo de uma máquina térmica podem ser maximizados com o uso de processos que exijam o mínimo de trabalham e resultem no máximo de trabalho, ou seja, usando processos reversíveis.

Na prática, ciclos reversíveis não podem ser realizados, pois as irreversibilidades associadas aos processos não podem ser eliminadas, entretanto, os ciclos reversíveis representam os limites superiores para o desempenho dos ciclos reais. Assim, os ciclos reversíveis servem como modelo com os quais podem ser comparados os refrigerados e máquinas térmicas reais.

Em 1824, o engenherio francês Sadi Carnot, propôs o ciclo, composto por quatro processos reversíveis, que leva seu nome: ciclo de Carnot. A máquina térmica teórica que operada segundo este ciclo é chamada de máquina térmica de Carnot. Por ser um ciclo reversível, o ciclo de Carnot é o mais eficiente a operar entre dois limites de temperatura, e mesmo que não possa ser executado na realidade, a eficiência dos ciclos reais pode s ser melhorada quanto mais se aproximar do ciclo de Carnot.

Na Fig.16 tem-se um sistema fechado composto de um gás dentro de um arranjo pistão-cilindro adiabático. Os quatro processos são:

·         expansão isotérmica reversível (processo 1-2, T_Q = constante): o gás é expandido lentamente da posição 1 realizando trabalho sobre a vizinhança, e mantendo-se constante a temperatura até que o pistão atinja a posição 2. Para manter a temperatura constante, uma quantidade de calor Q_Q é transferido durante o processo;

·         expansão adiabática reversível(processo 2-3, 4Q = 0 e a temperatura cai de T_Q para T_F): o gás continua se expandir lentamente (do estado 2), realizando trabalho sobre a vizinhança, até que a temperatura caia de T_Q para T_F (no estado 3). Considerando-se que o pistão é sem atrito e o processo de quase-equilíbrio, o processo é reversível e adiabático;

·         compressão isotérmica reversível(processo 3-4, T_F = constante): no estado 3, o pistão é empurrado lentamente por uma força externa até o estado 4, realizando trabalho sobre o gás. A temperatura do gás permanece constante a T_F e o calor total rejeitado pelo gás é Q_F;

·         compressão adiabática reversível (processo 4-1, a temperatura se eleva de T_F para T_Q): o gás é comprimido de maneira reversível, a temperatura sobe até T_Q e o ciclo é completado voltando ao estado inicial 1.

O diagrama P-V do ciclo é mostrado na Fig.17, onde a área sob a curva do processo representa o trabalho de fronteira. A área sob a curva 1-2-3 é o trabalho realizado pelo gás durante a expansão do ciclo, e a área sob a curva 3-4-1 é o trabalho realizado sobre o gás durante a parte de compressão do ciclo. O trabalho líquido realizado é a área 1-2-3-4-1 compreendida pelas curvas do ciclo.

Curso Termodinâmica

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