O que é o ciclo de Carnot – Carnot Heat Engine – Definição

Um sistema que passa por um ciclo de Carnot é chamado de mecanismo térmico de Carnot. O ciclo de Carnot é um ciclo teórico com a maior eficiência possível de todos os ciclos termodinâmicos. Engenharia Térmica

Ciclo de Carnot – Motor térmico de Carnot

diagrama pV do ciclo de Carnot
Diagrama pV do ciclo de Carnot. A área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser realizado durante um ciclo.

segunda lei da termodinâmica impõe restrições à direção da transferência de calor e estabelece um limite superior para a eficiência da conversão de calor em trabalho em motores térmicos . Portanto, a segunda lei é diretamente relevante para muitos problemas práticos importantes.

Em 1824, o engenheiro e físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio (também chamado de regra de Carnot ) que especifica limites para a máxima eficiência que qualquer motor térmico pode obter. Em suma, este princípio afirma que a eficiência de um ciclo termodinâmico depende apenas da diferença entre os reservatórios de temperatura quente e fria.

O princípio de Carnot afirma:

  1. Nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura.
  2. As eficiências de todos os motores reversíveis (motores de calor Carnot ) que operam entre os mesmos reservatórios de temperatura constante são as mesmas, independentemente da substância de trabalho empregada ou dos detalhes da operação.

O ciclo desse mecanismo é chamado de ciclo de Carnot . Um sistema que passa por um ciclo de Carnot é chamado de mecanismo térmico de Carnot . Não é um ciclo termodinâmico real, mas é uma construção teórica e não pode ser construída na prática. Todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis . Eles não são feitos infinitamente devagar e infinitamente pequenos passos na temperatura também são uma ficção teórica. Portanto, os motores térmicos devem ter eficiências mais baixas do que os limites de eficiência devido à irreversibilidade inerente ao ciclo dos motores térmicos que utilizam.

Ciclo de Carnot – Processos

Ciclo de Carnot - ProcessosEm um ciclo de Carnot , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente : dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isotérmicos :

  1. compressão isentrópica – O gás é comprimido adiabaticamente a partir de um estado para o estado 2, onde a temperatura é H . Os arredores trabalham com o gás, aumentando sua energia interna e comprimindo-a. Por outro lado, a entropia permanece inalterada .
  2. Expansão isotérmica – O sistema é colocado em contacto com o reservatório em H . O gás se expande isotérmica enquanto recebe energia Q H do reservatório quente por transferência de calor. A temperatura do gás não muda durante o processo. O gás funciona nos arredores. A variação total da entropia é dada por: ∆S = S 1 – S 4 = Q H / T H
  3. expansão isentrópica – O gás expande-se adiabaticamente de estado 3 para o estado 4, onde a temperatura é C . O gás trabalha nos arredores e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada.
  4. compressão isotérmica – O sistema é colocado em contacto com o reservatório em C . O gás é comprimido isotérmica ao seu estado inicial enquanto descarrega energia Q C para o reservatório frio por transferência de calor. Nesse processo, o ambiente trabalha com o gás. A variação total da entropia é dada por: ∆S = S 3 – S 2 = Q C / T C

Processo isentrópico

Um processo isentrópico é um processo termodinâmico , no qual a entropia do fluido ou gás permanece constante. Isso significa que o processo isentrópico é um caso especial de um processo adiabático no qual não há transferência de calor ou matéria. É um processo adiabático reversível . A suposição de que não há transferência de calor é muito importante, pois podemos usar a aproximação adiabática apenas em processos muito rápidos .

Processo isentrópico e a primeira lei

Para um sistema fechado, podemos escrever a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia :

dH = dQ + Vdp

ou

dH = TdS + Vdp

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H 2 – H 1     → H 2 – H 1 = P (T 2 – T 1 )     (para gás ideal )

Processo isentrópico do gás ideal

processo isentrópico (um caso especial de processo adiabático) pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:

pV κ = constante

ou

1 V k = p 2 V k

em que κ = c p / c v é a proporção de aquecimentos específicos (ou capacidades de calor ) para o gás. Um para pressão constante (c p ) e outro para volume constante (c v ) . Observe que essa razão κ  = c p / c v é um fator na determinação da velocidade do som em um gás e em outros processos adiabáticos.

Processo isotérmico

Um processo isotérmico é um processo termodinâmico , no qual a temperatura do sistema permanece constante (T = const). A transferência de calor para dentro ou para fora do sistema geralmente deve ocorrer a uma taxa tão lenta, a fim de se ajustar continuamente à temperatura do reservatório através da troca de calor. Em cada um desses estados, o equilíbrio térmico é mantido.

Processo isotérmico e a primeira lei

A forma clássica da primeira lei da termodinâmica é a seguinte equação:

dU = dQ – dW

Nesta equação, dW é igual a dW = pdV e é conhecido como trabalho de fronteira .

No processo isotérmico e no gás ideal , todo o calor adicionado ao sistema será usado para realizar o trabalho:

Processo isotérmico (dU = 0):

dU = 0 = Q – W → W = Q       (para gás ideal)

Processo isotérmico do gás ideal

processo isotérmico  pode ser expresso com a lei do gás ideal como:

pV = constante

ou

1 V 1  = p 2 V 2

Em um diagrama pV, o processo ocorre ao longo de uma linha (chamada uma isotérmica) que tem a equação p = constante / V .

Veja também: Lei de Boyle-Mariotte

Processo isentrópico - características
Processo isentrópico – principais características
Processo isotérmico - principais características
Processo isotérmico – principais características

Ciclo de Carnot – diagrama pV, Ts

Diagrama Ts do ciclo de Carnot
Ts diagrama do ciclo de Carnot. A área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

O ciclo de Carnot é frequentemente plotado em um diagrama pressão-volume ( diagrama pV ) e em um diagrama temperatura-entropia ( diagrama Ts ).

Quando plotados em um diagrama de pressão-volume , os processos isotérmicos seguem as linhas de isotérmica do gás, os processos adiabáticos se movem entre as isotermas e a área delimitada pela trajetória completa do ciclo representa o trabalho total que pode ser feito durante um ciclo.

diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts), no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropia (s) específica (s) como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical, é o melhor diagrama para descrever o comportamento de um ciclo de Carnot .

É uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

Eficiência do ciclo de Carnot

Em, a geral eficiência térmica , η th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o líquido de trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q H .

fórmula de eficiência térmica - 1

Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

fórmula de eficiência térmica - 2

Como C = ∆ST C H = HST H , a fórmula para essa eficiência máxima é:

Fórmula de Carnot Eficiência

Onde:

  • é a eficiência do ciclo de Carnot, ie é a proporção = W / Q H do trabalho realizado pelo motor com a energia de calor que entra no sistema a partir do reservatório quente.
  • C é a temperatura absoluta (Kelvins) do reservatório frio,
  • H é a temperatura absoluta (Kelvin) do reservatório quente.

Veja também: Causas de ineficiências

Exemplo: eficiência de Carnot para usina a carvão

Em uma moderna usina a carvão , a temperatura do vapor de alta pressão (T quente ) seria de cerca de 400 ° C (673K) e T fria , a temperatura da água da torre de resfriamento, seria de cerca de 20 ° C (293K). Para este tipo de usina, a eficiência máxima (ideal) será:

η th = 1 – T frio / T quente = 1-293/673 = 56%

É preciso acrescentar que essa é uma eficiência idealizada . A eficiência de Carnot é válida para processos reversíveis. Esses processos não podem ser alcançados em ciclos reais de usinas. A eficiência de Carnot determina que maiores eficiências podem ser alcançadas aumentando a temperatura do vapor. Esse recurso também é válido para ciclos termodinâmicos reais. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor . No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%. Projetos supercríticos, que são operados sob pressão supercrítica(ou seja, superior a 22,1 MPa), têm eficiências em torno de 43%. As usinas elétricas a carvão mais eficientes e também muito complexas, operadas a pressões “ultra-críticas” (ou seja, cerca de 30 MPa) e que utilizam reaquecimento em vários estágios, atingem cerca de 48% de eficiência.

Veja também: Reator supercrítico

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.