O ciclo de Carnot (Paris,1824) é constituído por duas transformações isotérmicas (reversíveis), e duas transformações adiabáticas (reversíveis) como mostra a Figura 10.e. Pode ser demonstrado que o rendimento deste ciclo depende apenas das temperaturas da fonte quente e da fonte fria. O enunciado de Sadi Carnot é o seguinte:
“Quando uma máquina térmica realiza um determinado trabalho constantemente, operando em ciclos, ela deve receber calor de uma fonte quente e fornecer parte dele para uma fonte fria.” Na figura 10.e está ilustrada uma transformação cíclica num diagrama pressão versus volume: do estado A para o B, do estado B para o C, do estado C para o D, do estado D para o A.
Estudemos a conversão de calor e trabalho que, segundo a termodinâmica clássica, é processada em dispositivos chamados de Máquinas Térmicas (1).
Como exemplo, analisemos um ciclo de uma turbina a vapor:
1- O calor de uma chama é transferido à água em uma caldeira, produzindo vapor dágua em alta pressão;
2- A energia desse vapor é transformada em trabalho mecânico numa turbina de palhetas;
3- O vapor exaurido da turbina é condensado à temperatura mais baixa, transferindo calor à agua de refrigeração;
4- A água condensada é bombeada de volta à caldeira, completando o ciclo que daí se reinicia.
Uma análise deste ciclo indica que:
Na etapa 1, uma quantidade de calor (
) é fornecida ao sistema; na etapa 2 uma quantidade de trabalho (
) é extraída do vapor dágua; na etapa 3 o vapor cede uma quantidade de calor (
) ao sistema de refrigeração.
Assim pode-se concluir que
a) O calor sempre se transfere de um corpo de mais alta para um de mais baixa energia.
b) Para que o calor seja transformado em trabalho, devem existir duas fontes a temperaturas diferentes. Essa transformação é realizada pela máquina térmica.
c) Todo processo espontâneo é natural e irreversível. Assim sendo, a máquina absorve calor de uma fonte quente e, obrigatoriamente, deve ceder calor a uma temperatura mais baixa. O processo inverso não é espontâneo (não-natural) e dessa maneira é acompanhado pelo gasto de trabalho. Essa transformação não-natural é realizada, por exemplo, pelo refrigerador.
d) O trabalho total realizado neste ciclo é obtido pela diferença entre o calor fornecido e o calor cedido pelo sistema.
Figura 10.e- O Ciclo de Carnot com duas etapas isotérmicas e duas etapas adiabáticas. Processo isotérmico: o fluido do sistema troca o máximo de calor com o seu entorno, igualando as temperaturas; processo adiabático(2): o fluido não troca calor com o seu entorno e não ocorre transferência de calor.