As máquinas térmicas são dispositivos que convertem energia térmica em trabalho. Elas operam com base nas leis da termodinâmica, aproveitando a transferência de calor de um corpo quente para um corpo frio para realizar trabalho. O rendimento de uma máquina térmica é uma medida de quão eficientemente ela converte calor em trabalho.

Máquina Térmica

Uma máquina térmica é composta por três componentes principais:

• Fonte quente: fornece calor à máquina.
• Fonte fria: recebe o calor que é rejeitado pela máquina.
• Trabalho realizado: a máquina converte parte do calor recebido em trabalho útil.

O funcionamento de uma máquina térmica pode ser exemplificado por um ciclo termodinâmico, onde o calor é retirado da fonte quente, parte dele é transformada em trabalho e o restante é descartado na fonte fria.

Rendimento de uma Máquina Térmica

O rendimento de uma máquina térmica é a fração do calor absorvido que é transformada em trabalho útil. A fórmula do rendimento (\( \eta \)) é dada por:

$$ \eta = \frac{W}{Q_Q} = 1 – \frac{Q_F}{Q_Q} $$

• \( W \): trabalho realizado pela máquina
• \( Q_Q \): calor absorvido da fonte quente
• \( Q_F \): calor rejeitado para a fonte fria

Essa fórmula mostra que o rendimento é a razão entre o trabalho realizado e o calor absorvido. Como o calor rejeitado para a fonte fria nunca é zero em uma máquina térmica real, o rendimento das máquinas térmicas nunca pode ser 100%.

Ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é um modelo ideal de máquina térmica, composto por dois processos reversíveis (isotérmico e adiabático) que operam entre duas fontes térmicas, uma quente e uma fria. O ciclo de Carnot define o rendimento máximo possível para uma máquina térmica.

O rendimento (\( \eta \)) de uma máquina de Carnot é dado por:

$$ \eta = 1 – \frac{T_F}{T_Q} $$

• \( T_Q \): temperatura da fonte quente (em Kelvin)
• \( T_F \): temperatura da fonte fria (em Kelvin)

Note que, de acordo com o ciclo de Carnot, o rendimento depende apenas das temperaturas das fontes térmicas e, para ser maximizado, a diferença entre as temperaturas das fontes deve ser grande.

Tabela-Resumo: Máquinas Térmicas e Rendimento