Figure 1: Uma fonte quente fornece a energia necessária para produzir trabalho em um processo termodinâmico. A eficiência do Carnot depende apenas da temperatura da fonte quente e do dissipador frio.
A eficiência de Carnot descreve a máxima eficiência térmica que um motor térmico pode alcançar, como permitido pela Segunda Lei da Termodinâmica. A lei foi derivada por Sadi Carnot em 1824. Carnot ponderou a idéia de eficiência máxima em um motor térmico questionando se a eficiência de um motor térmico pode ou não se aproximar de 100%, ou existe um limite superior que não pode ser excedido? A resposta acabou sendo que existe um valor máximo, e Carnot desenvolveu um motor ideal que teoricamente daria essa eficiência, conhecido como o motor Carnot. A eficiência máxima, conhecida como eficiência de Carnot, depende apenas das temperaturas da fonte quente e da pia fria e, como mostrado na Figura 1, e é dada pela equação abaixo
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A Segunda Lei exige que o calor desperdiçado seja produzido em um processo termodinâmico onde o trabalho é feito por uma fonte de calor. Tal processo é dado pela equação
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Com uma eficiência térmica de
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Onde:
- é o calor fornecido ao sistema por um combustível
- é o calor emitido pelo sistema para o dissipador de calor frio conhecido como calor residual
- é o trabalho útil realizado pelo sistema
Por isso o rendimento de Carnot dá uma quantidade máxima atingível de trabalho de qualquer motor térmico. Pode ser visto na Equação 1 que ao aumentar ou diminuir a eficiência pode ser aumentada. O ideal seria, portanto, fazer com que a temperatura da pia fria fosse igual a zero absoluto, mas sabe-se que isso é impossível. Na realidade, o dissipador de frio é o ambiente da Terra. Isto significa que o dissipador frio está a uma temperatura de cerca de 280-300 Kelvin, e as fontes quentes são da queima de combustíveis a uma temperatura de aproximadamente 1100 Kelvin (embora a pesquisa tente sempre elevar essa temperatura). Estas temperaturas dão um valor de eficiência de Carnot de ou assim.
Motor Carnot
Um motor Carnot é um motor idealizado, usando processos que têm interações mecânicas e térmicas reversíveis. Isto significa que o motor pode passar pelos seus movimentos e retornar ao seu estado inicial sem aumento de entropia (sem perda de energia). Para que o motor possa retornar ao seu estado inicial sem aumentar a entropia, o motor deve estar em equilíbrio térmico durante todo o seu ciclo. As condições para que tal motor exista são:
- Interações mecânicas: não há perda de energia na forma de atrito, portanto não há transferência de calor durante estes processos mecânicos (), conhecidos como processos adiabáticos.
- Interações térmicas: a transferência de calor é infinitamente lenta (conhecida como quase-estática). Isto significa que a diferença de temperatura entre o sistema e o calor de entrada/saída é praticamente a mesma, fazendo com que a transferência de calor ocorra ao longo de um tempo infinito. Estas trocas devem ser feitas mantendo constante a temperatura interna do sistema, conhecida como processo isotérmico.
Um motor que possui apenas estas propriedades é conhecido como motor Carnot, que é um “motor perfeitamente reversível”, e exibe a máxima eficiência térmica () e, se operado como um refrigerador, o coeficiente de desempenho (). Embora tal motor maximizasse a eficiência, em termos de eficácia é terrivelmente impraticável, já que seus processos idealizados levam tanto tempo para produzir uma quantidade significativa de trabalho. Como Schroeder diz, “não se incomode em instalar um motor Carnot no seu carro; enquanto ele aumentaria sua quilometragem de gás, você seria passado por pedestres”.
Para saber mais sobre o motor Carnot, visite NASA ou hiperfísica.
