Questões sobre máquinas térmicas e rendimento

Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas, cujos exemplos são as máquinas a vapor e os atuais motores a combustão, poderiam ter um funcionamento ideal. Sadi Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica, funcionando em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria), obter 100% de rendimento.

O segundo princípio da Termodinâmica assegura que é impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.

As máquinas térmicas convertem energia térmica em energia mecânica. O diagrama pV, desenhado a seguir, representa o ciclo termodinâmico percorrido por uma máquina térmica hipotética.

A máquina térmica é um dispositivo capaz de converter calor em trabalho e é constituída por dois reservatórios a temperaturas distintas.

Hoje, aos olhos da ciência moderna, o dispositivo criado por Heron e uma máquina térmica, ou seja, ela e um dispositivo com capacidade de transformar o calor, energia térmica, em trabalho mecânico. No entanto, essa máquina criada não foi usada para produzir energia mecânica em grandes escalas. Foi somente no século XVIII que foram construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de produzir energia mecânica em escala industrial.

Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, avalie as afirmações aseguir.

I. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho.

II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por CIausius, afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo como é o caso do refrigerador.

III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente.

IV. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas.

As máquinas térmicas são capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes: uma quente, de onde recebe calor, e uma fria, para onde o calor rejeitado é direcionado. A respeito das máquinas térmicas, é importante saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

Um esquema de máquina térmica eficiente é mostrado na figura a seguir

A chamada Revolução Industrial foi caracterizada pela utilização das máquinas térmicas, que substituíram diversas ferramentas e eliminaram várias funções exercidas antes pelo homem. Do ponto de vista termodinâmico, máquinas térmicas transformam energia térmica em trabalho mecânico. Em 1824, o engenheiro francês Sadi Carnot idealizou um modelo de uma máquina térmica, na qual o funcionamento se dava por um conjunto de processos termodinâmicos, realizados em ciclo. Tal modelo ficou conhecido como Ciclo de Carnot. Máquinas térmicas que operam, segundo o Ciclo de Carnot, são denominadas máquinas ideais.