Planejativo

Ciclos, Máquinas térmicas e Rendimento

Luz e Câmara de orifício

Espelhos planos

Espelhos esféricos

Determinação analítica da imagem

Refração

Dioptro plano, Ângulo limite e Reflexão total

Prismas

Lentes esféricas

Construção analítica das imagens e Estudo dos sinais

Vergência e Óptica da Visão

Instrumentos ópticos

Ondulatória: Visão geral e Equação fundamental

Fenômenos ondulatórios

Ondas estacionárias em cordas e tubos sonoros

Acústica, fenômenos sonoros e instrumentos musicais

Efeito doppler

Temperatura, Calor e Energia térmica

Dilatação térmica

Calor sensível

Calor latente e Mudança de fase

Diagramas de fase

Propagação do calor

Estudo do gás ideal

Cinética dos gases, Energia interna e Trabalho de um gás

Primeira lei da termodinâmica

Ciclo de Carnot e a Segunda lei da termodinâmica

Princípios da óptica geométrica

Escalas termométricas

Alguns pontos-chave dessa matéria para o ENEM que devem ser levados em conta ao estudarmos são:

1. Ciclos Termodinâmicos e Máquinas Térmicas

Hoje, vamos mergulhar no mundo fascinante dos ciclos termodinâmicos. Esses ciclos são uma série de processos que os sistemas passam para realizar trabalho - ou seja, para fazer as coisas acontecerem! Você sabia que diferentes tipos de motores passam por diferentes ciclos para operar? Isso mesmo! O motor a diesel de um caminhão passa por um ciclo diferente do motor a gasolina do seu carro ou da motocicleta de alguém.

Hoje, vamos nos concentrar em um ciclo muito especial chamado Ciclo de Carnot. Este ciclo leva o nome de Sadi Carnot, um engenheiro francês do século XIX.

Bem, é um conjunto específico de etapas termodinâmicas que um gás ideal passa. E estas são as quatro etapas:

Agora, você pode estar se perguntando, por que estamos nos concentrando tanto nesse Ciclo de Carnot? Bem, porque é o ciclo termodinâmico de rendimento máximo!

E, aqui está o Teorema de Carnot: "Nenhuma máquina térmica que opere entre duas fontes de calor às temperaturas T1 e T2 pode ter um rendimento maior que uma máquina de Carnot operando entre as mesmas fontes". Então, a máquina de Carnot é o padrão-ouro das máquinas térmicas - a melhor que podemos obter.

E aqui está uma coisa interessante - todas as máquinas de Carnot têm o mesmo rendimento, desde que operem entre duas fontes de calor da mesma temperatura.

Primeiro, temos o Ciclo de Otto, que é basicamente o que acontece em um motor de carro a gasolina, álcool ou gás natural. A energia vem de uma faísca que causa uma reação de combustão - pense nisso como uma mini explosão - que move o motor. Mas aqui está o problema: esse ciclo não é tão eficiente quanto o Ciclo de Carnot que discutimos na última vez.

Em seguida, temos o Ciclo de Diesel, que ocorre em quatro etapas: compressão adiabática (comprimir sem trocar calor), aquecimento isométrico (aquecer sem mudar o volume), expansão adiabática (expandir sem trocar calor) e rejeição isométrica de calor (resfriar sem mudar o volume). O legal deste ciclo é que a combustão é causada apenas pela compressão do ar e combustível, não precisa de faísca!

Agora, o Ciclo Rankine é super importante - é o ciclo que gera cerca de 90% de toda a eletricidade no mundo! Ele funciona transformando calor em trabalho, e geralmente usa água como o fluido de trabalho.

Finalmente, temos o Ciclo de Stirling, que é usado em motores de combustão externa. Esse foi inventado por um pastor escocês e seu irmão engenheiro no século XIX, para ser uma alternativa mais segura ao motor a vapor. O motor Stirling é bem simples e consiste em duas câmaras que alternadamente aquecem e resfriam um gás, causando expansão e contração que movem os pistões do motor.

Agora, onde esses ciclos acontecem? Geralmente, dentro de algo chamado máquina térmica. Essas máquinas são incríveis porque transformam calor em trabalho. Elas funcionam usando duas fontes de temperaturas diferentes: uma fonte quente, de onde pegam calor, e uma fonte fria, onde jogam o calor que não precisam.

Mas tem uma pegadinha: as máquinas térmicas não conseguem transformar TODO o calor em trabalho. Então, o rendimento delas nunca vai ser 100%. É tipo quando você tenta estudar com o celular do lado e acaba perdendo tempo nas redes sociais, sabe? Você não usa 100% do seu tempo estudando, mesmo que seja o plano.

Com base no conceito de que a energia sempre é conservada, a gente tem a seguinte relação:

Q1 = t + Q2, que significa que o calor total recebido pela máquina (Q1) é a soma do trabalho realizado por ela (t) e do calor que ela descarta (Q2). Então, se a gente rearranja essa equação, fica assim: t = Q1 - Q2.

Agora, quando falamos sobre a eficiência, ou rendimento, de uma máquina térmica, estamos basicamente comparando o quanto de trabalho útil ela pode fazer com o total de calor que recebeu da fonte quente. É como se estivéssemos medindo quanto dessa energia inicial ela pode realmente usar para fazer o trabalho que a gente quer:

Os motores a diesel, que usam o ciclo Diesel, têm um rendimento melhor que a maioria, cerca de 30%. Enquanto os motores a gasolina, que geralmente usam o ciclo Otto, têm rendimento de até 20%.

Mas espere, e as máquinas térmicas ideais? Bom, essas são chamadas de máquinas de Carnot, e são meio que um modelo teórico, porque não conseguimos construir uma na vida real. Elas operam segundo o ciclo de Carnot, com quatro etapas: duas transformações isotérmicas (muito lentas) e duas transformações adiabáticas (muito rápidas). As máquinas reais tentam chegar o mais próximo possível desse ciclo ideal para obter o maior rendimento possível.

O rendimento de uma máquina ideal é dado pela equação:

Nessa equação, Tf é a temperatura da fonte fria e Tq é a temperatura da fonte quente. Ah, e um detalhe importante: as temperaturas têm que estar em Kelvin, ok?