MÁQUINAS TÉRMICAS

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MÁQUINAS TÉRMICAS 
INTRODUÇÃO 
Vamos conversar sobre máquinas térmicas, ciclo de Carnot e a segunda lei da 
termodinâmica, não haverá muitas contas, na verdade, será mais conceitos e 
aplicações ao cotidiano. 
2ª LEI DA TERMODINÂMICA E MÁQUINAS 
TÉRMICAS 
Quando conversamos sobre calor, pontuamos que o calor parte do corpo de maior 
temperatura para o corpo de menor temperatura. 
Vamos supor uma situação: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Uma máquina térmica será responsável por converter calor em energia 
mecânica. 
O calor parte da fonte quente, passa pela máquina, que realiza um trabalho, e uma 
pequena parte é dissipada para a fonte fria (normalmente é o meio externo). 
Normalmente, essa transição da fonte quente para a fria ocorre com o auxílio de um 
líquido ou gás. 
Alguns exemplos são carros a gasolina e até mesmo a “Maria fumaça”. 
Quando esse método foi desenvolvido, havia alguns problemas, o principal era que 
precisavam de muitos recursos e tinham um baixo aproveitamento. 
Então começaram a estudar métodos de aumentar o rendimento, e descobriram a 
https://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2009/08/maquina_termica1.jpg
relação do rendimento de uma máquina térmica: 
 η = 1 −
𝑄2
𝑄1
 
Agora, podemos enunciar a 2ª lei da termodinâmica: 
Segundo o enunciado de Kelvin-Planck: 
É impossível construir uma máquina, que opere de forma cíclica, com 100% de 
rendimento, ou seja, é impossível que a energia da fonte quente, se converta 
totalmente em trabalho. 
Para que o rendimento seja de 100%, a fonte fria (Lembrando que T1 > T2 ), Q2 
deveria ser 0, mas torna-se impossível. 
Podemos ter o caso contrário, a fonte fria cedendo calor para a fonte quente, mas isso 
não seria um processo natural, Clausius enunciou esse processo: 
É impossível uma máquina, de forma espontânea, ceda calor para o meio com 
maior temperatura, sem um agente externo. 
Exemplo deste processo é a geladeira, refrigeradores no geral! 
MÁQUINAS TÉRMICAS (EXEMPLOS) 
REFRIGERADORES 
 
 
 
 
 
 
 
 
Esta explicação serve também para outros tipos de máquinas 
refrigeradoras, como o ar-condicionado, por exemplo. 
A intenção é fazer que dentro da geladeira fique frio, para isso, devemos retirar a 
energia térmica de dentro, quanto menos energia térmica, menor a temperatura. 
Para isso, deve-se existir um fluxo de calor de uma área fria para uma quente, como 
sabemos, este processo não é natural, para resolver este problema, temos o 
compressor, que realizará um trabalho mecânico, através de um gás. 
Este gás passa pela válvula, ele sofre uma expansão na válvula, retirando calor do 
congelador, passando pelo compressor ele sofre um trabalho e se aquece, liberando 
calor para o ambiente. 
MOTOR A GASOLINA 
 
 
 
 
http://3.bp.blogspot.com/-
NRg5geAUCCY/TpQzPGc7H7I/AAAAAAAAAJU/7IkIsURFZhY/s400/intercooler1.jpg 
 
O funcionamento do motor ocorre graças à reação da gasolina com o ar, o qual toma 
o papel de fonte quente, o qual realizará um trabalho no pistão, através de um gás é 
normal haver perdas de calor nos tubos, por causa do ambiente. O pistão realizará um 
trabalho mecânico, assim, iniciando o movimento do carro. Para não haver 
temperaturas extremas, seriam danificados, então coloca-se um líquido para absorver 
o calor, geralmente é a água, colocada no radiador. 
CICLO DE CARNOT 
O ciclo de Carnot é um ciclo onde podemos idealizar uma máquina perfeita, onde seu 
rendimento é de 100%, a ideia do ciclo surgiu antes da 1ª lei da termodinâmica, então, 
ainda acreditava-se na ideia da máquina ideal. 
O ciclo de Carnot obedece a dois postulados: 
1ºPostulado: Nenhuma máquina que esteja operando a duas temperaturas fixas, 
pode ter um rendimento maior que uma máquina que esteja operando a mesma 
temperatura, sobre o regimento do ciclo de Carnot. 
2ºPostulado: Ao operar entre duas temperaturas fixadas, o ciclo de Carnot, terá 
o mesmo rendimento, para qualquer que seja o fluido operante. 
 
 
 
 
 
No ciclo de Carnot, podemos ver as transformações e suas consequências, em etapas: 
 
A→B: Acontece uma expansão adiabática, o sistema não recebe calor da fonte. 
B→C: Acontece uma compressão isotérmica, o sistema cede calor para a fonte 
fria. 
C→D: Acontece uma compressão adiabática, o sistema não troca calor com as 
fontes térmicas. 
D →A: Acontece uma expansão isotérmica, o sistema recebe calor de uma fonte 
quente. 
Podemos definir também uma nova forma de calcular o rendimento: 
 η = 1 − 𝑇𝑓
𝑇𝑞
 
Tf= Fonte fria 
Tq= Fonte quente 
Com o auxílio desta fórmula, podemos concluir que o rendimento de 100% exixtira, 
caso a temperatura da fonte fria chegasse à 0K ou 0 absoluto. 
ENTROPIA 
Pense em duas situações: 
1ª: Quando plantamos árvores, plantamos de tal forma que fique organizado. 
2ª: Quando as árvores crescem, de forma totalmente natural, sem qualquer influência 
externa. 
Na primeira situação nós temos uma plantação organizada, porém a organização é 
graças à influência externa, na segunda situação não existe essa organização, assim 
podemos enunciar a entropia sendo uma medida de desordem natural. 
Segundo Clausius, o físico que enunciou a entropia, o importante não é saber se valor 
absoluto, mas sim a sua variação: 
 Δ𝑆 = 𝑄
𝑇
 
Sendo ΔS= Variação da entropia. 
Sendo assim, podemos concluir 3 coisas: 
1) Se Q>0, o sistema está recebendo calor, então ΔS>0 , logo sua entropia está 
aumentando. 
2) Se Q<0, o sistema está liberando calor, então ΔS<0, logo sua entropia está 
diminuindo. 
3) Se o sistema não troca calor com o ambiente, teremos Q=0, portanto ΔS=0, 
significa que não houve alteração na entropia. 
QUESTÃO RESOLVIDA 
Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de 
outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada 
durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor 
funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser 
utilizada para a realização de trabalho. Isso quer dizer que há vazamento da energia 
em outra forma. 
 CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado). 
De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funci-
onamento do motor são decorrentes da: 
a) Liberação de calor dentro do motor ser impossível. 
b) Realização de trabalho pelo motor ser incontrolável. 
c) Conversão integral de calor em trabalho ser impossível. 
d) Transformação de energia térmica em cinética ser impossível. 
e) Utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável. 
 
RESOLUÇÃO: C 
 
Como foi dito neste tópico, Carnot nos disse que neste ciclo, a energia interna seria 
impossível se tornar totalmente em trabalho pois há dissipação de energia através de 
atritos, trocas de calor entre o meio e a máquina... 
QUESTÃO DE AULA 
1-(ENEM-IMEP) 
A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no aproveitamento dos 
alimentos, ao permitir que fossem armazenados e transportados por longos 
períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de funcionamento de uma 
geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o 
congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, 
que ocorre na parte externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás 
proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira. 
 
Nos processos de transformações de energia envolvidos no funcionamento da 
geladeira: 
(A) A expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento 
da parte interna da geladeira. 
(B) O calor flui de forma não-espontânea da parte mais fria, no interior,para a mais 
quente, no exterior da geladeira 
(C) A quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da 
geladeira. 
(D) A eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente 
externo for o seu compartimento interno. 
(E) A energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua 
porta, o que reduz seu consumo de energia. 
QUESTÃO DE CASA 
1-(ENEM 2016) 
 Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas, cujos exemplos são as máquinas 
a vapor e os atuais motores a combustão, poderiam ter um funcionamento ide-
al. Sadi Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica, funcionando 
em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria), obter 100% de ren-
dimento. Tal limitação ocorre porque essas máquinas. 
 
A) realizam trabalho mecânico. 
B) produzem aumento da entropia. 
C) utilizam transformações adiabáticas. 
D) contrariam a lei da conservação de energia. 
E) funcionam com temperatura igual à da fonte quente. 
GABARITOS 
QUESTÃO DE AULA 
1- B 
QUESTÃO PARA CASA 
1- B