Faça um diagrama e explique o funcionamento de uma máquina térmica

Passo 1

Primeiro, vamos entender o que a questão está pedindo. Você precisa fazer um diagrama e explicar como funciona uma máquina térmica. Isso envolve conceitos de termodinâmica, especificamente sobre como a energia térmica é convertida em trabalho. Para resolver isso, vamos precisar conhecer os ciclos termodinâmicos básicos, como o Ciclo de Carnot, e os princípios de transferência de calor e trabalho.

Passo 2

Vamos começar desenhando um diagrama simplificado de uma máquina térmica. Normalmente, representamos isso com um ciclo no diagrama temperatura-entalpia (T-H) ou pressão-volume (P-V). Para simplificar, vamos usar o Ciclo de Carnot, que é um ciclo ideal composto por quatro etapas:
  1. Compressão Isotérmica (A a B): O gás é comprimido de forma isoterma (temperatura constante), liberando calor para o ambiente.
  2. Compressão Adiabática (B a C): O gás é comprimido sem troca de calor, aumentando sua temperatura.
  3. Expansão Isotérmica (C a D): O gás expande de forma isoterma, absorvendo calor de uma fonte quente.
  4. Expansão Adiabática (D a A): O gás expande sem troca de calor, reduzindo sua temperatura.

Passo 3

Agora, vamos explicar cada etapa do ciclo:
  1. Compressão Isotérmica (A a B): Durante essa fase, o gás no motor é comprimido de forma que sua temperatura permaneça constante. Para manter a temperatura constante, o calor é liberado para o ambiente. Isso significa que o trabalho feito sobre o gás é parcialmente convertido em calor.
  2. Compressão Adiabática (B a C): Aqui, o gás continua sendo comprimido, mas sem troca de calor com o ambiente. Como resultado, a temperatura do gás aumenta. Esse aumento de temperatura é necessário para preparar o gás para a próxima fase de expansão.
  3. Expansão Isotérmica (C a D): O gás agora se expande, e essa expansão ocorre a temperatura constante. Durante essa expansão, o gás absorve calor de uma fonte quente, que será parcialmente convertido em trabalho útil.
  4. Expansão Adiabática (D a A): Finalmente, o gás continua a expandir sem troca de calor, o que faz com que sua temperatura diminua até voltar ao estado inicial. Este resfriamento prepara o sistema para reiniciar o ciclo.

Passo 4

O funcionamento de uma máquina térmica baseia-se na transferência de calor de uma fonte quente para uma fonte fria, convertendo parte desse calor em trabalho mecânico. No Ciclo de Carnot, a eficiência ( eta = 1 - TfriaTquente ) da máquina térmica é dada por:
onde é a temperatura da fonte quente e é a temperatura da fonte fria. Essa fórmula nos mostra que a eficiência aumenta quanto maior for a diferença de temperatura entre as duas fontes.

Passo 5

Em resumo, uma máquina térmica opera através de um ciclo termodinâmico que envolve compressão e expansão do gás, tanto isoterma quanto adiabática. Durante esse ciclo, o calor é transferido de uma fonte quente, parte dele é transformado em trabalho e o restante é liberado para uma fonte fria. A eficiência da máquina depende da diferença de temperatura entre as fontes quente e fria, conforme a fórmula da eficiência mencionada anteriormente.

Resposta

Uma máquina térmica funciona através de um ciclo que envolve compressão e expansão de um gás, transferindo calor de uma fonte quente para uma fonte fria e convertendo parte desse calor em trabalho. A eficiência depende da diferença de temperatura entre as fontes, sendo descrita pela fórmula .

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