UEL 1° Fase 2014
A Revolução Industrial foi acompanhada por profundas transformações na Europa. Os novos meios de transporte, que utilizavam as máquinas térmicas recém-criadas, foram essenciais aos avanços relacionados à industrialização por todo o continente. Naquele período, foi demonstrado teoricamente que uma máquina térmica ideal é aquela que descreve um ciclo especial, denominado ciclo de Carnot. Sobre os princípios físicos da termodinâmica e do ciclo de Carnot, assinale a alternativa correta.
As máquinas térmicas, que operam em ciclos, são incapazes de retirar o calor de uma fonte e o transformar integralmente em trabalho.
Em uma máquina térmica que opera em ciclos de Carnot, ocorrem duas transformações isobáricas e duas isovolumétricas.
No ciclo de Carnot, ocorre uma transformação reversível, enquanto as demais são irreversíveis.
O rendimento de uma máquina térmica é nulo quando as etapas do ciclo de Carnot forem transformações reversíveis.
Uma máquina térmica é capaz de transferir calor de um ambiente frio para um quente sem a necessidade de consumir energia externa.
Resolução
Resposta correta: A
Resolução detalhada
Segundo a segunda lei da Termodinâmica, nenhuma máquina térmica operando em regime cíclico consegue converter todo o calor absorvido de uma fonte quente em trabalho mecânico. Parte desse calor precisa, obrigatoriamente, ser rejeitada para uma fonte fria. Esse é justamente o enunciado de Kelvin-Planck da segunda lei. Portanto, a alternativa A traduz fielmente esse princípio.
Por que as demais estão incorretas?
- B – O ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas (à temperatura constante) e duas adiabáticas (sem troca de calor). Não há etapas isobáricas (pressão constante) nem isovolumétricas (volume constante).
- C – Todas as quatro etapas do ciclo de Carnot são idealmente reversíveis. Se qualquer uma delas fosse irreversível, o ciclo já não seria de Carnot.
- D – O rendimento (eficiência) máximo obtido, justamente no ciclo de Carnot, ocorre quando todas as transformações são reversíveis. Nessas condições, o rendimento é o maior possível (dado por \(\eta = 1 - T_f/T_q\)), e não nulo.
- E – Transferir calor espontaneamente de um corpo frio para um quente sem gasto de energia externa violaria o enunciado de Clausius da segunda lei; isso só é possível com dispositivos como refrigeradores ou bombas de calor, que consomem trabalho externo.
Dicas
Erros Comuns
Conceitos-chave
- Segunda lei da Termodinâmica: estabelece limitações para a conversão de calor em trabalho; calor não pode fluir do frio para o quente sem aporte de energia externa.
- Ciclo de Carnot: ciclo teórico reversível com duas etapas isotérmicas (absorção e rejeição de calor) e duas adiabáticas (compressão e expansão). Fornece o rendimento máximo possível para qualquer máquina que opere entre duas temperaturas.
- Rendimento térmico: \( \eta = \dfrac{W}{Q_q} = 1 - \dfrac{T_f}{T_q} \) (para Carnot), onde \(Q_q\) é o calor recebido da fonte quente e \(T_q\), \(T_f\) são as temperaturas absolutas das fontes.
