TRANSFORMAÇÃO CÍCLICAS

 Transformações cíclicas

1.  A Física e o cotidiano

 

Saiba mais Automóveis, motocicletas, caminhões e trens têm motor. Os motores transformam a energia dos combustíveis (da gasolina, por exemplo) em potência para mover o veículo. Combustão interna A maioria dos veículos tem motor de combustão interna: o combustível é queimado no interior do motor e impulsiona os pistões e fazem girar o eixo. Motores de automóveis têm quatro ou seis pistões. Motor de quatro tempos Cada pistão de um motor se move para cima e para baixo continuamente, num ciclo. A cada ciclo, o combustível é lançado no cilindro e queimado, e os gases residuais são expelidos A maioria dos motores é de quatro tempos, o que significa que o pistão se move para cima e para baixo duas vezes em cada ciclo. 1° Tempo: Indução 2° Tempo: Compressão Válvula de entrada aberta Válvulas se fecham  Pistão se move para baixo Pistão se move para cima Combustível e ar são sugados para dentro do cilindro Combustível e ar são comprimidos 3° Tempo: Queima 3° Tempo: Exaustão Válvula fechadas Pistão se move para cima Vela de ignição produz uma centelha Abre-se a válvula de exaustão Combustível e ar explodem Gases residuais são expelidos Pistão é impelido para baixo

Existe algum limite para o rendimento de uma máquina térmica?

2. A Física e o mundo

Que processos termodinâmicos são globalizados na natureza?

A energia solar incidente na Terra é refletida em 30% pela atmosfera e pelas nuvens. Os 70% que restam aquecem a superfície terrestre, o vapor-d’água e a poeira das camadas inferiores da atmosfera e da água nas nuvens.

A quantidade de calor absorvida pela superfície terrestre corresponde a um aquecimento não uniforme. A formação do vento se deve justamente a esse aquecimento desigual. A massa de ar que está mais quente que as massas vizinhas se expande, produzindo uma região de baixa pressão; as massas de ar vizinhas, mais frias e de maior pressão, movimentam-se horizontalmente, produzindo os ventos.

... e se a atmosfera fosse uma Máquina de Carnot?

3. A Física e o laboratório

Como simular a construção de uma turbina a vapor utilizada nas usinas termoelétricas, nucleares e nos motores de navios e submarinos?

A turbina a vapor transforma a energia mecânica, utilizando uma substância de operação, em geral a água, que, no processo, muda do estado líquido para o vapor e vice-versa.

Não se deve confundir a turbina a vapor com o motor a vapor, que movimenta as antigas locomotivas, as marias-fumaça, ou com a turbina a jato, que impulsiona aviões. Na primeira, o vapor empurra um pistão (3,0atm e rendimento de 10%), como no motor a gasolina; na segunda, são os gases da combustão (30atm e rendimento de 40%) que impelem a turbina sugadora de ar e a impulsionadora da aeronave.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Trabalho de um sistema num ciclo (transformação fechada)

Consideremos um sistema per correndo o ciclo indica do no gráfico a seguir, saindo de (1), indo para (2) e voltando ao estado (1). Analisaremos o trabalho do sistema em cada uma das transformações e, em seguida, no ciclo.

Transformação de (1) para (2)

Nesta transformação, o sistema realiza trabalho (volume aumenta); o trabalho é dado, numericamente, pela área A₁.

Transformação de (2) para (1)

Nesta transformação, o sistema recebe trabalho (volume diminui); o trabalho é dado, numericamente, pela área A₂.

Ciclo fechado

Ao percorrer o ciclo, o sistema realiza o trabalho A1 e recebe de volta o trabalho A2. Portanto, o saldo de trabalho trocado pelo sistema com o meio, ao percorrer o ciclo, é dado pela área A = A₁ – A₂ interna ao ciclo.
Assim:

τciclo= Asistema

 

(numericamente)

Observemos que

– Se o ciclo é percorrido no sentido horário (como o da figura), A₁ é maior que A₂ e o sistema realiza trabalho ao percorrer o ciclo;

– Se o ciclo é percorrido no sentido anti-horário (ao contrário do da figura), A₁ é menor que A₂ e o sistema recebe trabalho ao percorrer o ciclo.
Resumindo:

Sentido horário ⇔ sistema realiza trabalho (τ > 0) Sentido anti-horário ⇔ sistema recebe trabalho (τ < 0)

Variação da energia interna do ciclo (ΔU_ciclo)

Quando o sistema descreve um ciclo, a energia interna U varia, mas o valor final é igual ao inicial. Portanto:

DU_ciclo = U_final – U_inicial

DUciclo= 0

A variação da energia interna de um ciclo é nula.

 

Máquina térmica

Se a máquina térmica, ao funcionar, obedece ao Ciclo de Carnot (duas isotermas e duas adiabáticas), então ela é denominada Máquina de Carnot e vale a relação:

T_F ® temperatura absoluta da fonte fria.

T_Q ® temperatura absoluta da fonte quente.

A Máquina de Carnot, apesar de ser teórica, é aquela que apresenta o máximo rendimento possível entre suas fontes térmicas de temperaturas fixas.

Exercícios Propostos

1. (UEMS) – Com relação à 2^a lei da termo dinâmica, pode-se afirmar que:

I. O calor de um corpo com temperatura T₁ passa espontaneamente para outro corpo com temperatura T₂ se T₂ > T₁.

II. Uma máquina térmica operando em ciclos pode retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.

III. Uma máquina térmica operando em ciclos entre duas fontes térmicas, uma quente e outra fria, converte parte do calor retirado da fonte quente em trabalho e o restante envia para a fonte fria.

Assinale a alternativa que apresenta a(s) afirmativa(s) correta(s).

a) I

b) II

c) III

d) I e II

e) I e III

2. O Ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas a temperaturas T₁ e T₂ e duas transformações adiabáticas. Considere o diagrama P x V abaixo e o sentido do ciclo ABCDA.

É correto afirmar:

a) As variações da energia interna DU nos processos BC e DA são nulas.

b) As variações da energia interna DU nos processos AB e CD são nulas.

c) A temperatura associada ao processo isotérmico AB é menor do que a temperatura associada ao processo isotérmico CD.

d) Ao final do ciclo ABCDA, o trabalho realizado é igual à variação da energia interna DU de ciclo.

3. (MODELO ENEM) – A partir dos estudos da Termodinâmica, no final do século XVIII, a evolução dos motores de combustão interna tem sido enorme. O gráfico a seguir evidencia como, ao longo do tempo, a eficiência do Motor Otto (motor de 4 tempos) vem aumentando, e projeta-se que chegue a quase 45% no ano 2020.

Evolução da eficiência do motor Otto
	Observado
	Ajustado

Se considerarmos um Ciclo de Carnot entre a temperatura de combustão adiabática da gasolina igual a 2300K e a temperatura de trabalho admissível para o aço como sendo de 925K, qual o valor de rendimento esperado?

a) 48% 

b) 60% 

c) 70% 

d) 80% 

e) 90%

4. (ENEM) – No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece

a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor.

b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo.

c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho.

d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás.

e) na carburação, com a difusão do combustível no ar.

5. (ENEM) – 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, o qual ocorre na parte externa, e de expansão, o qual ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira.

Disponível em: <http://home.howstuffworks.com>.
Acesso em: 24 julho. 2020 (adaptado).

Nos processos de transformação 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. 

Gabarito 

1. RESOLUÇÃO:

I) FALSA

A passagem espontânea do calor ocorre sempre do corpo de

MAIOR temperatura para o de MENOR temperatura.

II) FALSA

NUNCA todo o calor retirado de uma fonte quente pode ser integralmente transformado em trabalho. SEMPRE vamos ter parte dessa energia sendo transferida para uma fonte fria.

III) CORRETA

A 2^a lei da termodinâmica assegura que, da energia retirada da fonte quente, uma parte se transforma em trabalho e o restante é transferido para uma fonte fria.

Resposta: C

2. RESOLUÇÃO:

No diagrama, observamos um Ciclo de Carnot, constituído por duas isotermas (T₁ > T₂) e duas adiabáticas (DA e BC).

a) ERRADO.

De B para C (adiabática), a temperatura do sistema diminui. De

D para A (adiabática), a temperatura aumenta. Assim, existe variação não nula da energia interna.

b) CORRETO.

As transformações AB e CD são isotérmicas, sem variação de temperatura e de energia interna.

c) ERRADO.

A isoterma AB, mais afastada dos eixos, representa uma temperatura maior do que a da isoterma CD (T₁ > T₂).

d) ERRADO.

Num ciclo, o trabalho é determinado pela área interna. A variação de energia interna é sempre nula (DU_ciclo = 0) já que as temperaturas inicial e final são sempre iguais.

Resposta: B

3. RESOLUÇÃO:

Cálculo de rendimento para um Ciclo de Carnot:

h = 0,60 ou h (%) = 60%

Resposta: B

4. Resolução:

Os combustíveis armazenam energia potencial química. Na combustão, a energia química é liberada e os gases formados aplicam forças nos pistões do motor, as quais realizam trabalho, usado para movimentar o veículo (produção de energia mecânica).

Resposta: A

5. Resolução:

A retirada do calor da fonte fria para a fonte quente por meio da realização de trabalho pelo compressor (processo não espontâneo) explica o funcionamento da geladeira.

Resposta: B