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24.5 – A máquina de Carnot Máquina de Carnot: a máquina ideal (eficiência máxima operando entre duas temperaturas TH e TC) • Sem atrito, turbulência ou perdas de calor • Todos os processos reversíveis • Usa gás ideal Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) O ciclo de Carnot W a d->a: compressão adiabática a->b: expansão isotérmica QH W b b->c: expansão adiabática d QC c QH W TH TC W c->d: compressão isotérmica QC TC http://www.youtube.com/watch?v=s3N_QJVucF8&feature=related TH Entropia no ciclo de Carnot ΔSH QH a d ΔSC b QC Obviamente, temos: S H S C Como as trocas de calor são isotérmicas, então: TH TC c QH TH QC TC Eficiência da máquina de Carnot: e Usando o resultado do slide anterior: W Q H QC QH QH TH e Carnot 1 1 QH QC QH QC TC TC TH Eficiência da máquina de Carnot depende apenas das temperaturas dos reservatórios Refrigerador de Carnot: máquina de Carnot operando no sentido inverso Q QC TC Coeficiente de desempenho: K C W Q H QC T H TC Teorema: “Nenhuma máquina real, operando entre duas temperaturas, pode ter uma eficiência maior que uma máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas” Demonstração: Suponhamos que exista uma máquina X com eficiência maior que a de Carnot: eX > eCarnot . Vamos usar esta máquina para alimentar um refrigerador de Carnot: TH QHX Se e X e Carnot QHC W Q HX W Q HC Q HC Q HX Seja Q Q HC Q HX Q CC Q CX 0 QCX QCC TC TH TH QHX QHC QCX QCC TC Viola a 2a. Lei! TC Portanto, eX > eCarnot é impossível. Mas espere… Onde precisamos utilizar o fato de que a máquina da direita é uma máquina de Carnot? Poderia ser uma máquina Y qualquer, desde que seja reversível (possa funcionar como um refrigerador)… Então: e X e Y Mas também poderíamos ter obtido: e Y e X Ou seja: e Y e X Todas as máquinas reversíveis têm a mesma eficiência da máquina de Carnot, desde que operem apenas entre dois reservatórios Na aula passada, calculamos a eficiência de uma máquina de Stirling: e nR T A T B ln V B V A nC V T A T B nRT A ln V B V A Não é a mesma eficiência de uma máquina de Carnot! (Na verdade, é menor). No entanto, o ciclo é reversível. Como? Para realizar o ciclo de Stirling de forma reversível, seria necessário o uso de uma infinidade de reservatórios térmicos a temperaturas diferentes, e não apenas dois! O ciclo de Carnot é o mais eficiente entre todos os ciclos reversíveis operando entre as mesmas temperaturas extremas