Ciclo termodinâmico: o que é, a importância e a evolução
Veja os fundamentos da Máquina a Vapor e dos motores a combustão. Ciclo termodinâmico é um processo realizado por um sistema que visa obter trabalho ou realizar trabalho sobre o sistema.
A evolução do ciclo termodinâmico é uma conquista da Física. veja:
Você sabe a semelhança entre uma usina nuclear e um automóvel comum? Na aula de hoje você vai aprender como o conceito de ciclo termodinâmico evoluiu ao longo dos anos, e de sua presença em nosso cotidiano.
Assim, no final desta aula você vai 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
O primeiro passo é você entender o que é um Ciclo Termodinâmico. Ele acontece como um processo realizado por um sistema que visa obter trabalho do sistema, ou ainda realizar um trabalho sobre o sistema.
Introdução ao Ciclo Termodinâmico
Veja agora com o professor de física Otávio Bocheco, o Seco, do canal do Curso Enem Gratuito, a Primeira Lei da Termodinâmica:
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As Transformações na Termodinâmica
Como você acompanhou no resumo, os ciclos 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.
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
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.
Resumo sobre as máquinas térmicas
Acompanhe agora com o professor de Física Antônio Martins, o Tonho, do canal do Curso Enem Gratuito:
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.
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 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.
Entenda como os fases funcionam
Veja com a professora Larissa Campos, do Canal do Curso Enem Gratuito:
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 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 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.
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%.
A Lei da Conservação da Energia
Veja agora com o professor Otávio Bocheco, o Seco do canal do Curso Enem Gratuito:
Exercícios sobre ciclo termodinâmico
1) – Qual o ponto da Centelha Elétrica?
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
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.
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:
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):
Tairine Favretto - 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
