Qual a condição limite para uma operação em 100% de qualquer máquina térmica? É fisicamente possível isso acontecer?
Passo 1
Beleza, vamos lá! A questão pergunta qual seria a condição limite para uma máquina térmica operar com 100% de eficiência e se isso é fisicamente possível. Estamos falando de termodinâmica aqui, que é o ramo da física que estuda as relações entre calor, trabalho e energia. Para resolver isso, vamos precisar entender um pouco sobre a eficiência das máquinas térmicas e as leis da termodinâmica.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar que uma máquina térmica é um dispositivo que converte calor em trabalho. A eficiência (
) de uma máquina térmica é dada pela relação entre o trabalho realizado (
) e o calor absorvido da fonte quente (
):
Também sabemos que, segundo a segunda lei da termodinâmica, não é possível converter todo o calor absorvido em trabalho. Sempre há uma parte do calor que é descartada para uma fonte fria.
Passo 3
Para entender o limite máximo de eficiência, usamos o Ciclo de Carnot, que representa a máquina térmica mais eficiente possível operando entre duas temperaturas. A eficiência de uma máquina de Carnot é dada por:
Aqui,
é a temperatura da fonte quente e
é a temperatura da fonte fria, ambas em Kelvin.
Passo 4
Agora, se quisermos que a eficiência seja 100%, $ \eta_{Carnot} = 1 $, então:
Resolvendo isso, percebemos que para $ \eta = 1 $:
Passo 5
A conclusão é que, para uma máquina térmica ter 100% de eficiência, a temperatura da fonte fria (
) precisaria ser 0 Kelvin, que é o zero absoluto. Porém, na prática, atingir 0 Kelvin é impossível devido às leis da física. Sempre haverá alguma quantidade de calor rejeitada para a fonte fria.
Resposta
Portanto, a condição limite para uma operação com 100% de eficiência em uma máquina térmica exigiria que a fonte fria estivesse a 0 Kelvin, o que é fisicamente impossível. Assim, não é possível que uma máquina térmica opere com 100% de eficiência na realidade.