O ciclo de Carnot é um processo executado pela máquina de Carnot, que funciona entre duas transformações nas quais a temperatura permanece constante, variando a pressão e o volume da massa gasosa (isotérmicas), e duas transformações em que o sistema está isolado de quaisquer trocas de calor (adiabáticas).
A máquina de Carnot, proposta pelo engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot, era uma máquina térmica teórica que agia como uma máquina de rendimento total, criando um ciclo de rendimento máximo, que foi denominado Ciclo de Carnot.
Com o desempenho da máquina, Carnot mostrou que, quanto maior fosse a temperatura da fonte quente, maior seria o rendimento do equipamento para uma substância que se comportasse como um gás ideal.
Assim, o ciclo de Carnot consiste em uma sequência de transformações gasosas em que a máquina térmica alcança o seu rendimento máximo ao operar em ciclos, diante de duas fontes térmicas, possibilitando menor perda de calor para o meio externo.
Teoria de Carnot
Em 1824, o cientista Nicolas Sadi Carnot apresentou um teorema que impõe um limite à eficiência de uma máquina térmica ideal. O cientista criou a máquina de Carnot, que utiliza calor para realizar um trabalho, composta por um gás sobre o qual se exerce ciclo de expansão e contração entre duas temperaturas.
O ciclo de Carnot obedece a dois postulados, criados por Sadi Carnot, antes mesmo da existência das Leis da Termodinâmica. São eles:
“Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas”
“Ao operar entre essas duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluido operante”
Desse modo, conclui-se que a máquina de Carnot possui rendimento superior ao de qualquer outro equipamento do tipo, operando entre as mesmas fontes de temperaturas.
Troca de calor na máquina de Carnot
Em uma máquina de Carnot, a quantidade de calor trocada com as fontes quente e fria são proporcionais às temperaturas absolutasQ1/Q2 = T2/T1, sendo T1 a temperatura da fonte quente (K); T2, a temperatura da fonte fria (K); Q1, a energia térmica fornecida pela fonte quente (J); e Q2, energia térmica recebida a partir da fonte fria (J).
Desse modo, para que aconteça o rendimento de 100%, seria necessário que todo o calor originado da fonte de aquecimento fosse transformado em trabalho, uma vez que a temperatura integral da outra fonte deveria ser igual a zero.
O ciclo teórico de Carnot é composto por duas modificações isotérmicas: uma para a temperatura da fonte quente, onde ocorre o processo de expansão, e a outra para a fonte fria, onde acontece o processo de compressão, alternadas por duas transformações adiabáticas.
Etapas do ciclo de Carnot
O processo de transformação termodinâmica do ciclo de Carnot é formado por quatro etapas e pode ocorrer com qualquer substância. Em uma máquina de Carnot, a quantidade de calor que uma fonte de aquecimento fornece e a quantidade de calor que a fonte de resfriamento fornece são proporcionais às suas temperaturas absolutas.
As etapas do ciclo de Carnot são as seguintes:
- Expansão isotérmica reversível – nesta etapa o sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M);
- Expansão adiabática reversível – etapa na qual o sistema não faz a troca de calor com as fontes térmicas (M-N);
- Compressão isotérmica reversível – etapa em que o sistema cede o calor para a fonte de resfriamento (N-O);
- Compressão adiabática reversível – nessa etapa o sistema não realiza a troca de calor com as fontes térmicas (O-L).
Depois da transformação isotérmica, o gás passa por transformação adiabática, na qual não ocorre troca de calor com o meio externo. Ao se expandir de forma adiabática, sua temperatura diminui.
A seguir, o gás passa por uma compressão isotérmica, liberando uma quantidade de calor para o meio externo. Após sofrer uma compressão adiabática, novamente o gás retorna à condição inicial.
Rendimento da máquina de Carnot
O rendimento da máquina de Carnot é o máximo de rendimento que uma máquina térmica pode alcançar operando em determinadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria.
Para calcular o rendimento da máquina de Carnot, utiliza-se a seguinte fórmula:
R= 1- T2/T1
Onde:
R = rendimento da máquina de Carnot
T1 = temperatura da fonte quente medida Kelvin (K)
T2 = temperatura da fonte fria medida em Kelvin (K)
Uma das utilidades da máquina de Carnot é avaliar o desempenho da máquina térmica, avaliando se ela possui um bom rendimento e, consequentemente, a viabilidade do custo para ser utilizada na indústria.