|
Nas transformações de energia, a natureza parece escolher o caminho mais simples. É muito fácil converter energia mecânica em calor, com 100% de eficiência. Entretanto, quando se pensa em converter calor em energia mecânica, isto é, quando se procura realizar trabalho a partir do calor, é muito difícil, ou quase impossível, conseguir 100% de eficiência nessa transformação.
Qualquer sistema que recebe calor como elemento primário e fornece trabalho como resultado de transformações, é chamado de motor térmico. Seu processo termodinâmico pode ser assim resumido: recebe calor de uma fonte a uma dada temperatura, converte parte dele em trabalho e restitui ao ambiente a parte remanescente de calor não utilizado.
Dentre os muitos tipos de processos, um ciclo que permite uma transformação ótima de calor em energia mecânica é o ciclo de Carnot.
Como usar este applet:
Neste applet está ilustrado o funcionamento de um motor térmico segundo um ciclo de Carnot. Por processo cíclico entende-se uma transformação tal que as variáveis termodinâmicas que caracterizam o sistema no princípio assumam os mesmos valores no final do processo. Para obrigar um sistema a descrever um ciclo de Carnot, é necessário dispor-se de duas fontes de calor, capazes de trocar calor com o sistema sem sofrer elas mesmas alteração de suas temperaturas. Uma delas, mantida a temperatura mais elevada (em vermelho), será chamada de "fonte quente". A outra, cuja finalidade é absorver do sistema o calor não transformado em trabalho, deve estar a temperatura bem mais baixa, e será chamada "fonte fria" (em azul).
1. O sistema está inicialmente em contato com a fonte fria e recebe energia sob forma de trabalho mecânico. É necessário que ele ceda calor para manter-se à mesma temperatura (transformação isotérmica).
2. Uma compressão sem troca de calor com o ambiente faz com que o sistema aumente sua temperatura (transformação adiabática).
3. O sistema sofre uma expansão à temperatura constante (transformação isotérmica). Para isso, como ele está realizando trabalho, precisa receber calor da fonte quente, com a qual deve estar em contato.
4. A seguir o sistema realiza trabalho sem receber energia, e, por isso, sua energia interna diminui, isto é, ele se resfria, terminando por atingir a temperatura da fonte fria. Esta transformação se dá com o sistema isolado termicamente do ambiente (transformação adiabática).
Ao fim das transformações, o gás encontra-se no estado inicial e, portanto, com a mesma energia. Porém, se a energia não variou, o que aconteceu durante o ciclo? Nas várias fases do ciclo, o gás foi forçado a sofrer certas transformações. Em particular, recebeu calor e, em sua expansão, cedeu energia mecânica. Depois recebeu energia mecânica e cedeu calor. Contudo, a energia mecânica que entrou é diferente da que saiu. O saldo do trabalho obtido corresponde apenas a uma parte do calor originalmente cedido ao sistema.
Todos os motores térmicos seguem um princípio de funcionamento que procura se aproximar deste, desde o motor diesel até o motor a gasolina.
Em uma máquina a vapor o rendimento é da ordem de 10%. Ou seja, cerca de 9/10 da energia do combustível são perdidos no radiador. Em motores a explosão ou em turbinas mais perfeitas, o rendimento oscila em torno de 30%.
Obs: Clique sobre o applet se quiser parar em um ponto.
Para saber mais: CONCEITOS - Termodinâmica.
Autor do applet: Dr. Xing Min Wang |