O Ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico conhecido por sua eficiência ideal. O ciclo de Carnot transforma a energia disponível na forma de calor para produzir processos reversíveis-adiabáticos (isotérmicos) e outros.
A eficiência do motor de Carnot é um menos a razão da temperatura do reservatório térmico quente à temperatura do reservatório frio. O ciclo de Carnot é conhecido por estabelecer o benchmark de eficiência mais alto que qualquer ciclo ou motor pode atingir.
O trabalho é realizado pelo fluido de trabalho durante a primeira parte do ciclo e o trabalho é realizado no fluido de trabalho durante a segunda parte do ciclo. A diferença entre os dois é o trabalho líquido realizado.
A eficiência do ciclo pode ser maximizada utilizando processos que requerem o menor trabalho possível e entregam o máximo através de processos reversíveis. Na prática, ciclos reversíveis não podem ser alcançados devido à irreversibilidade associada a cada processo, que não pode ser eliminada.
Refrigeradores e motores térmicos que funcionam em ciclos reversíveis são considerados modelos para comparar os motores térmicos e refrigeradores reais. No desenvolvimento do ciclo real, o ciclo reversível serve como ponto de partida e é modificado para atender aos requisitos.
O Ciclo de Carnot é composto por quatro processos reversíveis (2 isotermais reversíveis e 2 adiabáticos reversíveis) conforme segue:
O Ciclo de Carnot é demonstrado abaixo através do exemplo relevante do pistão:
ETAPA 1 – 2
(Expansão Isotérmica Reversível, Th = Constante)
TH é a temperatura inicial do gás e também a temperatura do reservatório, em contato próximo com a cabeça do cilindro.
A temperatura do gás cai quando o gás se expande e a mesma é mantida constante transferindo-se calor infinitesimal (dT) do reservatório para o gás.
A quantidade de calor transferida durante o processo para o gás é Qh
ETAPA 2 – 3
(Expansão Adiabática Reversível, queda de temperatura de TH para TL)
O sistema se torna adiabático quando o reservatório de calor é substituído por isolamento. Durante este processo, a temperatura do gás cai de Th para Tl.
Este processo é chamado de reversível e adiabático (note que termodinâmica de engenharia tem uma definição específica para sistemas e processos).
ETAPA 3 – 4
(Compressão Isotérmica Reversível, Tl = constante)
No estágio 3, o sumidouro de calor substituiu o isolamento da cabeça do cilindro na temperatura Tl. Quando uma força externa empurra o pistão para dentro, fazendo trabalho no gás, a temperatura do gás aumenta.
Mas a temperatura do gás é mantida constante rejeitando calor ao sumidouro. A quantidade de calor rejeitada durante o processo é Ql.
ETAPA 4 – 1
(Compressão Adiabática Reversível, aumento de temperatura de Tl para Th)
O sumidouro de energia é substituído por isolamento e a temperatura do gás aumenta de Tl para Th durante o processo de compressão.
O trabalho realizado pelo gás durante o processo de expansão é a área sob a curva 1-2-3.
O trabalho realizado no gás durante o processo de compressão é a área sob a curva 3-4-1
Assim, o trabalho líquido realizado é dado pela área sob o caminho 1-2-3-4-1.
A eficiência do motor térmico depende da temperatura máxima e mínima do ciclo:
Carnot afirma que a eficiência do motor térmico é independente do tipo de fluido e depende apenas das temperaturas máxima e mínima durante o ciclo.
Portanto, a eficiência do motor térmico é maior quando opera em temperaturas de vapor superaquecido.
Ciclo de Carnot e Segunda Lei da Termodinâmica:
O ciclo de Carnot demonstrou claramente o fato de que o calor é absorvido de uma fonte de alta temperatura chamada reservatório e o calor é rejeitado ao sumidouro. Este fato se torna a base para a segunda lei da termodinâmica. Mas é necessário trabalho externo para mover o calor na direção oposta.
Ciclo de Carnot é um ciclo reversível, e se torna o ciclo de refrigeração de Carnot quando o processo é revertido. A direção das interações de calor e trabalho são totalmente invertidas, assim
Assim,
O calor absorvido do reservatório de baixa temperatura é Ql
O calor rejeitado ao reservatório de alta temperatura é Qh
O trabalho realizado é Wnet-in
Ciclo de Carnot Reverso é o mesmo que o convencional Ciclo de Carnot, exceto pela direção dos processos.
O ciclo de Carnot é nomeado após “N. L. Sadi Carnot” que o inventou em 1824. Sadi Carnot é referido como o fundador da termodinâmica por descobrir a relação entre calor e trabalho. Carnot foi um dos primeiros a perceber que o calor é essencialmente trabalho em uma forma diferente.
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