Ciclo de Carnot


O primeiro modelo teórico sobre as máquinas térmicas que teve sucesso foi proposto no ano de 1824 pelo físico, matemático e engenheiro francês Nícolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832): trata-se do Ciclo de Carnot. Essa teoria, que diz respeito a uma máquina térmica capaz de alcançar o seu rendimento máximo, consiste em duas transformações adiabáticas alternadas com duas isotérmicas – sendo que todas essas seriam reversíveis, assim como o ciclo em si.

A busca pela máquina térmica ideal e a importância do Ciclo de Carnot

As máquinas térmicas são equipamentos que convertem o calor em trabalho. Elas trabalham em ciclos e se utilizam de duas fontes de temperaturas distintas, uma fonte quente (por meio da qual se recebe o calor) e outra fria (para onde é direcionado todo o calor rejeitado).

Carnot

O rendimento dessas máquinas é estabelecido pela razão entre a potência útil, que é todo o trabalho produzido pelo equipamento, e a potência total, constituída pelo calor que é fornecido pela fonte quente. As máquinas térmicas não são capazes de transformar todo o calor em trabalho e, assim, o rendimento delas nunca alcança os 100%.

Aí, então, é que se mostra a importância do Ciclo de Carnot. No século 19, muitos acreditavam na possibilidade de se construir uma máquina térmica “perfeita”, ou seja, aquela que seria capaz de modificar toda essa energia fornecida em trabalho. Um equipamento que obtivesse o tão desejado rendimento total (100%).

Para garantir que essa ideia não passava de uma mera utopia, Nicolas Carnot então propôs sua máquina térmica teórica, que se comportava como um aparelho que tem o potencial de funcionar nesses 100%. Assim, esse ciclo de rendimento máximo passou a ser conhecido como Ciclo de Carnot.

Como se dá o Ciclo de Carnot

Esse modelo teórico pode ser configurado por uma sequência de transformações gasosas em que a máquina térmica alcança o seu rendimento máximo ao operar em ciclos, diante de duas fontes térmicas. Com ele, o estudioso francês mostrou que, quanto maior fosse a temperatura da fonte quente, maior então seria o rendimento do equipamento para uma substância que se comportasse como um gás ideal.

A teoria de Carnot se divide em duas partes:

– A máquina de Carnot (todas as que operam segundo o ciclo criado pelo francês) tem rendimento maior do que qualquer outro equipamento do tipo, operando entre as mesmas fontes (mesmas temperaturas);

– Todas as máquinas deste modelo teórico têm o mesmo rendimento, desde que estas operem, também, com as mesmas fontes (mesmas temperaturas).

Qualquer substância pode ser levada a executar um ciclo de Carnot e, independentemente de qual seja ela, esse processo teórico é formado por quatro etapas:

• Expansão isotérmica reversível – na qual o sistema recebe certa quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M);

• Expansão adiabática reversível – em que o sistema não faz a troca de calor com as fontes térmicas (M-N);

• Compressão isotérmica reversível – na qual o sistema cede o calor para a fonte de resfriamento (N-O);

• Compressão adiabática reversível – em que o sistema também não faz a troca de calor com as fontes térmicas (O-L).

O ciclo teórico de Carnot é formado de duas modificações isotérmicas: uma para a temperatura T1 da fonte quente, onde ocorre o processo de expansão, e a outra para T2, que é referente à fonte fria onde ocorre o processo de compressão. Cada uma delas é intercalada com duas transformações adiabáticas. Portanto, deve-se conceber uma máquina térmica na qual o gás sofre as expansões e compressões de acordo com o Ciclo de Carnot, e no qual a T1 seja a fonte quente e T2 a fonte fria.

Nesse contexto, é bem comum de se dizer que o sistema que é submetido a essa teoria ganha a quantidade de energia Q2 de um reservatório térmico mantido em alta temperatura T2 e perde a quantidade de energia Q1 para um recipiente térmico que, por sua vez, é alimentado em temperatura baixa T1.

Numa máquina do Ciclo de Carnot, as quantidades de calor trocadas com as fontes (quente e fria) são proporcionais às suas respectivas temperaturas absolutas: Q1/Q2 = T2/T1, sendo que T1 é a temperatura da fonte quente (K); T2 consiste na temperatura da fonte fria (K); Q1 é equivalente à energia térmica fornecida pela fonte quente (J); e Q2 é a recebida a partir da fonte fria (J).

Com isso, podemos concluir que para que aconteça o desejado “fenômeno” dos 100% de rendimento, todo o calor que se originou da fonte de aquecimento precisará ser demudado em trabalho, pois a temperatura integral da outra fonte (de resfriamento) deverá ser 0 K. E, então, como o zero absoluto não é algo que possa ser alcançado em um sistema físico, o modelo teórico criado pelo francês Nícolas Carnot se mostrou capaz de desmistificar toda essa ideia utópica de se construir a tal máquina térmica considerada “perfeita”.