Você já deve saber que máquinas térmicas nunca atingem um rendimento de 100%, pois parte da energia fornecida é desperdiçada. Entusiasta do assunto, o físico Nicolas Carnot nos forneceu um esquema de como seria o ciclo de máquinas que teriam total rendimento, que também ficou conhecido como máquina térmica perfeita ou máquina de Carnot. Este assunto faz parte dos conteúdos de física no Enem e será estudado a seguir.
Esse esquema parte do princípio que todas as passagens do ciclo são reversíveis, desconsiderando qualquer tipo de perda, inclusive aquela decorrente do atrito. Ao desconsiderar todas as perdas, encontramos um rendimento de 100%, lembrando que máquinas térmicas reais nunca vão ter um rendimento igual a esse.
Abaixo está representado o gráfico do ciclo de Carnot de Pressão x Volume. Repare que as isotermas são representadas pelas linhas vermelha e azul, enquanto as linhas pretas correspondem as adiabáticas (Processo térmico em que nenhum calor é adicionado ou removido do sistema).
Esse gráfico é interpretado da seguinte forma:
- Do ponto A para o ponto B o gás sofre uma expansão isotérmica quando recebe o calor da fonte quente.
- Do ponto B para o ponto C o gás sofre uma expansão adiabática e sua temperatura é reduzida para Tf (temperatura fria).
- Do ponto C para o ponto D o gás sofre uma compressão quando cede o calor para a fonte fria.
- Do ponto D para o ponto A o gás sofre uma compressão adiabática e retorna para a situação em que se encontrava no início do ciclo, elevando a temperatura para Tq (temperatura quente).
As quantidades de calor trocadas são proporcionais às temperaturas da seguinte forma:
Dessa forma chegamos que o rendimento de uma máquina de Carnot pode ser dado por:
Se o gráfico for percorrido no sentido contrário temos o ciclo conhecido como refrigerador de Carnot, que trabalha com máxima eficiência. Essa eficiência é dada por:
