Carnot e seu ciclo

 

Em 1824, um jovem engenheiro francês publicou um trabalho, de que seria dito, posteriormente, que “foi um dos maiores acontecimentos já realizados na ciência”. O engenheiro francês se chamava Nicolas Leonard Sadi Carnot, e o tema da publicação era a conversão de energia calorífica em energia mecânica. Carnot desenhou uma máquina térmica, idealizada, que era útil para demonstrar como este tipo de máquina operaria para obter um rendimento máximo.

IMAGEM 01 – SADI CARNOT

Aquela máquina era um precedente do motor diesel. O importante na máquina de Carnot era que operava num ciclo reversível. Um gás, denominado substância de trabalho, absorve calor e, em seguida, sofre uma rápida expansão; logo cede parte do calor absorvido e, por último, se comprime subitamente, para voltar a iniciar o ciclo. Se a máquina de Carnot trabalha em sentido contrário, todas as operações se sucedem inversamente. Isto é o que se chama reversibilidade, e as quatro etapas, em um ciclo de Carnot, são reversíveis. O ciclo de Carnot é o de máximo rendimento a uma temperatura dada. A substância de trabalho atua sobre um embolo durante a etapa de expansão.

Com uma máquina que realize o ciclo de Carnot se consegue o máximo de trabalho (e, portanto, a máxima quantidade de energia mecânica) que é possível obter de um gás quente.

A súbita expansão que sofre a substância de trabalho chama-se expansão adiabática. É tão rápida que entre a substância de trabalho e seus arredores não ocorre nenhum intercâmbio calorífico. Uma vez que esta substância tenha desenvolvido trabalho, permanece à temperatura da parte mais fria do aparelho, liberando calor e sofrendo uma contração. Esta parte do processo é chamada isotérmica, pois durante ela não há nenhuma mudança de temperatura. Em seguida se produz uma rápida compressão adiabática, à qual se segue uma nova etapa isotérmica, onde a substância de trabalho absorve calor da parte mais quente da máquina.

Os ciclos das máquinas térmicas utilizadas na prática diferem consideravelmente do ciclo de Carnot. Teoricamente, entretanto, nenhum pode ser mais eficaz do que este. O mais que se pode conseguir com um ciclo prático, em que todas as etapas sejam reversíveis, é igual rendimento. Este é um corolário importante enunciado na publicação de Carnot outra conclusão essencial é que o rendimento não depende do tipo de substância usada; quer dizer, as condições de máximo rendimento são independentes da substância de trabalho.

IMAGEM 02 – CARNOT E SEU CICLO

Algumas das ideias de Carnot não foram entendidas por completo, devido a ele ter confundido os termos, concretamente, quantidade de calor, potência motriz do calor e um novo termo que se conhece atualmente como entropia ou grau de desordem. Possivelmente, o trabalho de Carnot foi mal interpretado. Mas Lorde Kelvin, físico inglês, compreendeu a transcendência de suas ideias e tornou a enunciá-las em sua forma presente. Kelvin foi capaz, inclusive, de introduzir um conceito de temperatura totalmente novo, que cristalizou na escala de temperaturas absolutas, utilizada atualmente com caráter fundamental. A escala de temperatura de Lorde Kelvin é baseada no rendimento de uma máquina de Carnot que opera entre duas temperaturas determinadas (a que absorve calor e a que expele).

Carnot nasceu em Paris, em 1796. Estudou na Escola Politécnica e chegou a ser oficial de engenharia. Desgraçadamente, contraiu cólera e morreu na mesma cidade em 1832, quando tinha 36 anos de idade.