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Máquinas térmicas, bombas de calor e rendimento de Carnot

FísicaTermologia e gasesIdades 17–18

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Usar com minha turma

Um gás ideal percorre um ciclo de Carnot, Otto ou Diesel entre uma fonte quente a T_h e uma fonte fria a T_c em um diagrama p–V. Um diagrama de Sankey mostra o calor recebido Q_h, o trabalho W e o calor rejeitado Q_c; o rendimento η = W/Q_h fica sempre abaixo do limite de Carnot 1 − T_c/T_h, e a variação de entropia ΔS = Q/T de cada fonte é mostrada. O modo inverso transforma o ciclo em um refrigerador ou bomba de calor com seu coeficiente de desempenho.

Aula: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica

O que mostra

Uma máquina térmica recebe calor Q_h de uma fonte quente, transforma parte dele em trabalho W e rejeita o resto, Q_c, para uma fonte fria. Seu rendimento η = W/Q_h nunca chega a 100 %: é o enunciado de Kelvin–Planck da segunda lei. A melhor máquina possível entre as temperaturas T_h e T_c (em kelvin) é a máquina reversível de Carnot, com η = 1 − T_c/T_h. Funcionando ao contrário, o ciclo vira um refrigerador ou uma bomba de calor. O modelo usa 0,040 mol de gás ideal e processos lentos e reversíveis; Otto e Diesel são ciclos-padrão a ar.

Como usar

Escolha o Ciclo e o Gás, ajuste a Temperatura da fonte quente T_h e a Temperatura da fonte fria T_c e observe o gás percorrer o ciclo p–V. Clique em Registrar ciclo para adicionar o ciclo atual à tabela e ao gráfico; repita com outras temperaturas. Aumente as Perdas para ver uma máquina real. Abra a aba Refrigerador / bomba de calor para ver o coeficiente de desempenho e depois abra Tarefas para você se testar.

Parâmetros que você pode mudar

  • Modo Máquina térmica, Refrigerador / bomba de calor
  • Ciclo Carnot, Otto (motor a gasolina), Diesel
  • Temperatura da fonte quente T_h 250–2500 K
  • Temperatura da fonte fria T_c 200–600 K
  • Razão de expansão isotérmica (Carnot) 1,5–5
  • Taxa de compressão (Otto, Diesel) 2–25
  • Gás Ar, Gás monoatômico
  • Perdas (atrito, vazamento de calor) 0–40 %

Perguntas para explorar

  1. Por que nenhuma máquina que opere entre 600 K e 300 K pode ter rendimento acima de 50 %?
  2. Como o rendimento de um motor Otto muda quando a taxa de compressão r aumenta?
  3. Por que uma bomba de calor funciona melhor quando o ar externo é só um pouco mais frio que o ambiente?

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