Máquina Térmica de Carnot

A Máquina Térmica de Carnot dá vida à termodinâmica clássica ao combinar um conjunto animado 3D de pistão, cilindro e volante com um diagrama 3D sincronizado de Pressão-Volume (P-V). Os estudantes podem arrastar a cabeça do pistão para percorrer o ciclo ou clicar em qualquer um dos quatro estados nos vértices: Expansão Isotérmica em contato com a fonte quente T_H, Expansão Adiabática até T_C, Compressão Isotérmica em contato com a fonte fria T_C e Compressão Adiabática de volta a T_H. As moléculas do gás aceleram e desaceleram com a temperatura, enquanto leituras em tempo real informam o rendimento de Carnot eta = 1 - T_C / T_H, a temperatura do gás, a pressão e o trabalho líquido por ciclo.

• Clique em cada um dos quatro vértices do ciclo P-V para avançar pelas etapas de Expansão Isotérmica, Expansão Adiabática, Compressão Isotérmica e Compressão Adiabática.
• Aumente a Fonte quente T_H de 500 K para 900 K mantendo T_C em 300 K, e veja a área interna do ciclo P-V e o rendimento de Carnot eta crescerem.
• Diminua a Fonte fria T_C de 400 K para 200 K e verifique que resfriar o reservatório frio aumenta o rendimento de forma ainda mais eficaz do que elevar T_H na mesma proporção.
• Arraste o êmbolo do pistão para cima e para baixo manualmente e observe como a ponte térmica sob o cilindro alterna entre T_H, isolado e T_C.
• Aumente a Razão de expansão isotérmica e note que o Trabalho líquido por ciclo aumenta enquanto a porcentagem teórica do rendimento de Carnot permanece inalterada.

1. 1Identificar as quatro transformações reversíveis que compõem o ciclo da máquina térmica de Carnot em um diagrama P-V.
2. 2Calcular o rendimento teórico máximo de qualquer máquina térmica usando eta = 1 - T_C / T_H.
3. 3Distinguir entre transformações isotérmicas (temperatura constante, troca de calor) e transformações adiabáticas (isoladas, a temperatura muda via trabalho).
4. 4Explicar por que a área delimitada dentro do ciclo P-V representa o trabalho mecânico líquido produzido por ciclo.

Perguntas frequentes dos professores