Um motor térmico recebe por ciclo Qh = 5,0×10^6 J e rejeita Qc = 4,2×10^6 J. (a) Calcule o trabalho por ciclo…

Questão

Um motor térmico recebe por ciclo Qh = 5,0×10^6 J e rejeita Qc = 4,2×10^6 J. (a) Calcule o trabalho por ciclo W e a eficiência ? = (Qh-Qc)/Qh. (b) Para Th = 550 K e Tc = 330 K calcule ?_Carnot = 1 - Tc/Th e o trabalho máximo por ciclo. (c) Discuta causas de irreversibilidade e proponha duas modificações para aumentar ?, justificando fisicamente.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

a) W = Qh - Qc = 5,0×10^6 J - 4,2×10^6 J = 8,0×10^5 J. ? = W/Qh = 8,0×10^5 / 5,0×10^6 = 0,16 = 16%. b) ?_C = 1 - Tc/Th = 1 - 330/550 = 1 - 0,6 = 0,4 = 40%. Trabalho máximo W_max = ?_C·Qh = 0,4·5,0×10^6 J = 2,0×10^6 J. c) Causas de irreversibilidade: transferência de calor com diferença finita de temperatura, atrito mecânico, perdas por condução/radiacao e processos não quasiestáticos; essas perdas aumentam Qc e reduzem W. Duas modificações: (1) aumentar a temperatura da fonte quente (ex.: Th?650 K) aumenta o limite de Carnot: ?_C' = 1 - 330/650 ˜ 0,492 ? W_max' ˜ 0,492·5,0×10^6 ˜ 2,46×10^6 J; (2) implementar regenerador/permear isolamento e reduzir perdas por atrito e vazamentos, o que diminui Qc efetivo (ex.: redução de Qc em 10% ? Qc = 3,78×10^6 J dá W = 1,22×10^6 J e ? ˜ 24,4%). Essas propostas são justificadas porque aumentam a diferença térmica útil ou reduzem perdas irreversíveis, aproximando o ciclo do ideal reversível.

Explicação

Os cálculos realizados para o trabalho e a eficiência do motor térmico seguem as definições da termodinâmica, utilizando as relações entre calor recebido, calor rejeitado e trabalho realizado. A análise das causas de irreversibilidade e as propostas de modificações são fundamentadas na busca por aumentar a eficiência do ciclo, considerando a melhoria nas condições operacionais e a redução de perdas. As soluções apresentadas visam maximizar a diferença de temperatura entre as fontes, o que é crucial para aumentar a eficiência em sistemas térmicos.

Raio-X da questão

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