Fundamentos de Física 9ª Edição Vol 2 - Halliday 2 ED 9 (em cores)

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_5 Entropia no Mundo Real: Máquinas Térmicas
vrna máquin~ térmica é um ?i.spositivo que extrai energia do ambiente na forma
de calor e realiza u~ trabalho util. Toda máquina térmica utiliza uma substância de
trabalho. Nas máquinas ª vapor, ª substância de trabalho é a água, tanto na forma
líquida quan~o na forma de :7apor. Nos motores de auto1nóvel, a substância de traba­
Jho é uma m1s~ura de gaso~na. e ar. Para que uma máquina térmica realize trabalho
de forma cont1nu~, .ª substancia de trabalho deve operar em u1n ciclo, ou seja, deve
passar por um~ serie fechada de processos termodinâmicos, chamados de tempos,
voltando repet1dame~te a cada e~tado do ciclo. Vamos ver o que as leis da termodinâmica
podem nos dizer a respeito do funcionamento das máquinas térmicas.
A Máquina de Carnot
Como vi1nos, é possível aprender muita coisa a respeito dos gases reais analisando
um gás ideal, que obedece à equação p V = nRT. Embora não existam gases ideais
na natureza, o comportamento de qualquer gás real se aproxima do comportamento
de um gás ideal para pequenas concentrações de moléculas. Analogamente, podemos
compreender melhor o funcionamento das máquinas térmicas estudando o comportamento
de uma máquina térmica ideal.
ENTROPIA E A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 255
~Em uma 1náquina térmica ideal, todos os processos são reversíveis e as transferências
de energia são realizadas sem as perdas causadas por efeitos como o atrito e a
turbulência.
Vamos examinar um tipo particular de máquina térmica ideal, chamada de máquina
de Carnot em homenagem ao cientista e engenheiro francês N. L. Sadi Camot,
que a imaginou em 1824. De todas as máquinas térmicas, a máquina de Carnot é a
que utiliza o calor com maior eficiência para realizar trabalho útil. Surpreendentemente,
Carnot foi capaz de analisar o desempenho desse tipo de máquina antes que a
primeira lei da termodinâmica e o conceito de entropia tivessem sido desc?b~rtos.
A Fig. 20-8 mostra, de forma esquemática, o funcionamento de uma maqu1~a de
Carnot. Em cada ciclo da máquina, a substância de trabalho absorve uma quantidade
IQQI de calor de uma fonte de calor a uma temperatura constante TQ e fornece uma
quantidade IQFI de calor a uma segunda fonte de calor a uma temperatt1ra constante
mais baixa Tp · · 1
A Fig. 20-9 mostra um diagrama p-V do ciclo de Carnot, ou seJ~, o _cic o a que
· 1h ' · na de Camot Como indicam as seé
submetida a substância de traba O na maqui · b A • d b 1h ,
.d h á · Imagine que a su stanc1a e tra a o e
tas, o ciclo é percorrido no senti o or no. . . A b 1 b
, . . d "eito de matenal isolante e com um em o o su -
um gas, confinado em um c1 1 tn ro 1 1
Funcionamento de uma
máquina de Carnot
Calor é
absorvido.
Calor é
perdido.
l
(
QQ
r
rt,
'JQ
i
t
·,, l
li'
Tr abalho é
re alizado pela
má quina.
Figura 20-8 Os elementos de uma
1náquina de Carnot. As duas setas pretas
horizontais no centro representam
uma substância de trabalho operando
ciclica1nente, co1no e1n um diagratna
p-V. Uma energia lQQI é transferida
na fonna de calor da fonte quente,
que está a u1na te1nperatura T 0 , para
a substância de trabalho; un1a energia
IQrl é transferida na forn1a de calor da
substância de trabalho para a fonte fria,
que est.í à te1npcratura T,. Um trabalho
\\' é reali,aJo pela 1náqu1nn térn1ica (na
realidade. pela sub:-.tância de trabalho)
sobre o :unbiente.