Ciclo termodinâmico: o que são, importância e evolução

Ciclo termodinâmico é um processo realizado por um sistema que visa obter trabalho ou realizar trabalho sobre o sistema.

Evolução do ciclo termodinâmico

Primeiramente, você sabe a semelhança entre uma usina nuclear e um automóvel comum? Na aula de hoje iremos falar sobre como o conceito de ciclo termodinâmico evoluiu ao longo dos anos, e de sua presença em nosso cotidiano.

Assim, no final desta aula você conseguir responder a seguinte questão: o que uma usina nuclear tem a ver com um carro de passeio? Para respondermos a pergunta, vamos antes contextualizar e definir um ciclo termodinâmico.

Ciclo termodinâmico

Podemos considerar ciclo termodinâmico como um processo realizado por um sistema que visa obter trabalho do sistema, ou ainda realizar um trabalho sobre o sistema.

Dessa maneira, eles basicamente constituem uma série de transformações gasosas que se repetem ao longo do processo. Ou seja, ao final das transformações retorna-se ao estado inicial, e isso reinicia o processo.

gráfico ciclo termodinâmico
Figura 1: Ciclo termodinâmico, após os processos de transformações gasosas o gás retorna ao seu estado inicial e recomeça o ciclo.

O que vale ressaltar sobre os ciclos termodinâmicos é que eles cumprem uma lei fundamental da Natureza, como dito por Lavoisier: Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.

Assim em um ciclo termodinâmico, a lei de conservação de energia também é válida, por isso a soma do calor e trabalho recebidos pelo sistema deve ser igual à soma e de calor e trabalho realizados pelo sistema.

Mas esse pensamento resultou em várias tentativas, ao longo da história, de teorização e confecção de máquinas que seriam – digamos – infinitas. Vamos ver um pouco mais sobre isso agora.

Moto-perpétuos

moto perpétuo
Figura 2: O movimento contínuo seria provocado por um desiquilíbrio permanente que faria a roda girar sempre para o lado em que as bolas se afastam mais do eixo da roda.

Como visto na figura 2, o moto-perpétuo não é uma máquina que funciona sem parar. Mas sim uma máquina que realiza trabalho sem parar, ou seja, sem o consumo de energia. Isso é impossível frente a alguns postulados da Termodinâmica.

Então vamos pensar em um ciclo termodinâmico, ou ainda, em uma máquina que transforma calor em trabalho. Após as transformações gasosas, para reiniciar o ciclo e ele ocorrer novamente, precisa-se de mais “combustível” (energia) externa a ele. E então, somente assim, temos o recomeço do ciclo.

Tipos de ciclos termodinâmicos

Há varias máquinas térmicas em nosso cotidiano, e você pode nem ter pensado nelas até esse momento, mas com esse post com certeza você irá saber mais e aprofundar seus conhecimentos.

Os motores dos carros, por exemplo, são máquinas térmicas e que funcionam com base nos princípios dos ciclos termodinâmicos. Todavia, cada tipo de motor possui um processo diferente um do outro.

Como, por exemplo, o funcionamento do motor a diesel é diferente do funcionamento do motor a gasolina, no que tange ao ciclo termodinâmico envolvido em cada um deles. Vamos ver mais sobre os principais ciclos termodinâmicos que conhecemos em nosso cotidiano.

Ciclo do motor a vapor (combustão externa)

O motor a vapor foi o grande advento da Termodinâmica na Revolução Industrial, onde foi possível transformar o calor em trabalho. Contudo seu ciclo termodinâmico era dependente de uma combustão externa, a altas temperaturas e altas pressões.

Esse motor dentro de fábricas, e para locomoção causava grandes acidentes e ao longo do tempo foi substituído por outros que veremos a seguir. Contudo ele ainda é utilizado no caso de locomotivas de vapor antigas, e para a geração de energia, nas termoelétricas e usinas nucleares.

ilustração maquina a vapor
Figura 3: Máquina a vapor de uma termoelétrica, o princípio de funcionamento de uma usina nuclear é semelhante, mas o combustível é o material radioativo.

Ciclo de Stirling (motor de diferentes temperaturas)

Este motor é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro.

Os irmãos queriam substituir o motor a vapor, pois eles explodiam com muita frequência, já que na época eram feitos de materiais precários e se rompiam quando submetidos as altas pressões.

Assim os irmãos propuseram um motor mais seguro, conhecido também como motor de ar quente, porque utilizava gases atmosféricos como o fluido de trabalho. O motor de Stirling tem uma grande semelhança estrutural e teórica com o motor a vapor, contudo mais seguro.

O motor de Stirling possui um ciclo termodinâmico que consiste em 4 transformações gasosas: expansão isotérmica, seguido de resfriamento a volume constante, uma compressão isotérmica e um aquecimento a volume constante.

ciclo motor de stirling
Figura 4: Ciclo motor de Stirling: 1 – expansão isotérmica; 2 – resfriamento isocórico; 3 – compreensão isotérmica; 4 – aquecimento isocárico.

Ciclo de Carnot (ciclo considerado ideal)

O ciclo foi proposto pelo físico e engenheiro militar Nicolas Léonard Sadi Carnot no ano de 1824. Podemos representá-lo por uma sequência de transformações gasosas nas quais a máquina térmica teria seu rendimento máximo operando em ciclos, a partir de duas fontes térmicas.

Carnot mostrou que quanto maior a temperatura da fonte quente, maior seria seu rendimento para uma substância que se comportasse como um gás ideal.

O ciclo de Carnot é composto de duas transformações isotérmicas: uma para a temperatura T1 da fonte quente onde ocorre o processo de expansão e a outra temperatura T2 que se refere a fonte fria onde ocorre o processo de compressão.

Dessa maneira, cada uma dessas transformações é intercalada com duas transformações adiabáticas.

ciclo de carnot ciclo termodinâmico
Figura 5: Ciclo de Carnot: AB – expansão isotérmica; BC – expansão adiabática; CD – compressão isotérmica; DA – compressão adiabática.

Ciclo de Otto (motor a gasolina)

Basicamente o ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico utilizado nos motores de combustão interna de quatro tempos, como aqueles utilizados em carros e motos. Ele foi proposto pelo alemão Nikolaus August Otto, e é feito de quatro transformações termodinâmicas.

ciclo de otto
Figura 6: Ciclo de Otto: 12 – Compressão adiabática; 23 – Aquecimento isocórico; 34 – Expansão adiabática; 41 – Resfriamento isocórico.

Ciclo de Diesel (motor a diesel)

O ciclo termodinâmico do motor a diesel consiste da combustão que é causada por uma compressão da mistura de ar e combustível. Com isso, o combustível entra em combustão, não por causa de uma centelha, como no caso do ciclo de Otto. Mas sim devido à alta pressão por causa da elevação da pressão.

Dessa maneira, o ciclo então consiste em 4 transformações termodinâmicas, as quais podemos observar no gráfico a seguir.

ciclo de motor a diesel
Figura 7: Ciclo de motor a diesel: AB – compressão adiabática; BC – aquecimento isobárico; CD – expansão adiabática; DA – resfriamento isocórico.

Portanto, agora você já consegue responder à questão do início do post?! Ou seja, o que um carro tem de semelhança com uma usina nuclear?

Com certeza você já sabe responder sobre, pois a semelhança é que ambas são máquinas térmicas que trabalham a partir de ciclos termodinâmicos. E que como vimos acima eles foram desenvolvidos ao longo do tempo visando um maior aproveitamento da energia fornecida. Mas não há nenhuma máquina térmica que consiga ter rendimento de 100%.

Para finalizar sua aula e tirar todas as suas dúvidas, veja esta videoaula do canal Átomo Aulas:

Por fim, resolva os exercícios abaixo!

Exercícios
1)

O motor de combustão mista, utilizado no transporte de pessoas e cargas, e uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão/expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica

exercício motor de combustão

Para o motor descrito, em qual ponho do ciclo é produzida a centelha elétrica?

a) A

b) B

c) C

d) D

e) E

2)

O “ciclo diesel”, mostrado na figura abaixo, representa o comportamento aproximado de um motor a diesel. A substância de trabalho desse motor pode ser considerado um gás ideal. O processo a → b é uma compressão adiabática, o processo b → c é uma expansão à pressão constante o processo c → d é uma expansão adiabática e o processo d → a é um resfriamento a volume constante.

exercício ciclo diesel

Com relação a esses processos, assinale a opção correta:

a) No processo a→ b a energia interna do sistema não varia.

b) No processo b→ c a energia interna do sistema diminui.

c) No processo c→ d a energia interna do sistema diminui.

d) No processo d→a a energia interna do sistema aumenta.

e) No ciclo completo a variação da energia interna é positiva.

3)

O ciclo de Carnot é definido como um processo que apresenta quatro transformações termodinâmicas às quais é submetido um gás ideal em uma máquina térmica. O diagrama pressão-volume abaixo representa esse ciclo, com T1 e T2 sendo as temperaturas absolutas das fontes térmicas entre as quais esse processo pode ocorrer. Sobre o assunto, analise as seguintes afirmativas:

gráfico ciclo de carnot

I. O ciclo compreende duas transformações isocóricas e duas isotérmicas.

II. Nas transformações isotérmicas a variação da energia interna do gás é nula.

III. Nos processos adiabáticos ocorrem expansão e compressão do gás, sem que haja troca de calor no sistema.

IV. O rendimento de uma máquina de Carnot operando entre as temperaturas de 27°C e 227°C é 40%.

Estão corretas somente as afirmativas

a) I e II.

b) II e III.

c) I e IV.

d) I, II e III.

e) II, III e IV.

Gabarito: 1) C ; 2) C ; 3) B

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica

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