Entender o Ciclo de Carnot e a relação dele com o rendimento de máquinas térmicas.

Transformações termodinâmicas particulares (isotérmica e adiabática), Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica, diagramas termodinâmicos, energia interna, trabalho e calor.

Comece dizendo aos alunos que as máquinas térmicas foram os instrumentos mais importantes de propulsão da revolução industrial. A capacidade motriz propiciada pelas máquinas a vapor tornaram disponível a força de vários homens em apenas um motor. A partir disso, começaram a ser muito estudadas, principalmente no que diz respeito ao seu rendimento. É óbvio, pois o rendimento das máquinas térmicas tinham relação direta com o volume da produção industrial da época.

Até por volta de 1824, os pesquisadores acreditavam que uma máquina térmica podia ter rendimento de 100%, ou algo muito próximo disso. Certo pesquisador francês, chamado Carnot, conseguiu então demonstrar que a máquina térmica ideal teria que trabalhar obedecendo determinado ciclo que ele chamou de Ciclo de Carnot. Esta máquina teria que obedecer a duas condições, chamadas de Postulados de Carnot.

Neste momento pergunte aos alunos se eles se lembram porque uma máquina térmica não consegue atingir rendimento de 100% e qual a explicação, do ponto de vista da Termologia, do porque deste fato. Peça para que façam alguns instantes de discussão em grupo de 2 pessoas. Feito isso organize as respostas deles para que essa discussão tenha o efeito de uma pequena revisão sobre o assunto, que foi estudado durante a apresentação da Segunda Lei da Termodinâmica.

Volte então a falar de Carnot, enunciando pra eles o seu primeiro postulado, que diz que “nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas dadas temperaturas”. Mostre então o diagrama termodinâmico da Figura 1, que representa o ciclo de operação da Máquina Ideal de Carnot.

(Figura 1: Transformações do Ciclo de Carnot - Figura de autoria pessoal)

Explique esse diagrama em termos de trabalho recebido e realizado pelo sistema, em função do calor recebido Q_FQ (da fonte quente) e do calor cedido Q_FF (para a fonte fria). Depois diga pra eles que o calor recebido da fonte quente Q_FQ e sua temperatura T_FQ, bem como o calor cedido para a fonte fria Q_FF e sua temperatura T_FF, são ambos proporcionais entre si. Substitua, matematicamente, este valor na fórmula de rendimento de máquinas térmicas, a saber:

(Figura 2: Fórmula de rendimento de Carnot - Figura de autoria pessoal)

Após essa apresentação, peça aos alunos para se organizarem em grupos de 4 ou 5 pessoas e discutirem novamente porque uma máquina térmica não poderia ter rendimento de 100%. Diga a eles que devem levar em consideração dois fatos: primeiro a nova fórmula de rendimento de máquinas térmicas apresentada com base no postulado de Carnot; segundo o fato de que a temperatura absoluta de zero Kelvin é impossível de se obter na prática.

Dê um tempo significativo para esta discussão. Se algum grupo chegar na resposta, parabenize-o e re-explique com mais detalhes, senão, dê você mesmo a explicação seguinte. Para que uma máquina térmica tenha rendimento de 100% a temperatura da fonte fria (T_FF) teria de ser zero Kelvin. Substituindo este valor na equação anterior teríamos:

(Figura 3: Cálculo de rendimento de uma máquina térmica ideal - Figura de autoria pessoal)

Mas sabemos que a temperatura de zero absoluto é inatingível na prática, portanto, Carnot concluiu que nenhuma máquina térmica pode ter rendimento de 100%. Para finalizar a aula, proponha aos alunos uma pesquisa extra-classe que é descobrir qual o Segundo Postulado de Carnot e interpretá-lo.

Aprenda mais sobre Ciclo de Carnot:

E-escola: http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=577 

Só Física: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/ciclodecarnot.php 

InfoEscola: http://www.infoescola.com/fisica/ciclo-de-carnot/ 

Wikipédia: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot 

NEWTON, V.B; HELOU, R.D.; GUALTER, J.B. Tópicos de Física 2 – Termologia, Ondulatória e Óptica. São Paulo: Editora Saraiva, Vol. 2, 448p., 18a Ed., 2007.

Elabore questões de cálculo de rendimento de máquinas térmicas fictícias e peça aos alunos para dizer se estas máquinas podem ou não existir, tomando como base a sua comparação com a Máquina Ideal de Carnot.

A pesquisa proposta anteriormente pode se tornar um trabalho formal a ser entregue pelos alunos e ser usado também como instrumento de avaliação.