Termodinâmica e máquinas térmicas

A ideia central por trás das máquinas térmicas é que elas são dispositivos cíclicos que operam entre dois reservatórios a temperaturas distintas e convertem parte da energia térmica em trabalho útil, mas nunca toda ela. O motor de um carro ilustra bem isso: a combustão da gasolina libera calor a alta temperatura (fonte quente); parte dessa energia empurra os pistões e gera movimento; o restante é rejeitado pelo escapamento e pelo radiador para a atmosfera, que funciona como fonte fria. Se você calcular o rendimento típico, ele fica entre 25% e 40%, ou seja, a maior parte da energia do combustível vira calor desperdiçado, não trabalho. Carnot mostrou que o rendimento máximo teórico depende exclusivamente das temperaturas absolutas das fontes: η = 1 − T_f/T_q.

Isso explica por que usinas termelétricas buscam fontes quentes cada vez mais quentes e fontes frias mais frias, mas jamais alcançam 100%.

O que torna o Ciclo de Carnot tão especial é ele servir de padrão de comparação: nenhuma máquina real operando entre as mesmas duas temperaturas pode superá-lo, e a igualdade só ocorre se a máquina for reversível e operar em ciclo. Para entender por que o rendimento depende apenas das temperaturas, pense no balanço de entropia: nas duas isotérmicas, a entropia varia $\Delta S_q=Q_q/T_q$ (absorvida da fonte quente) e $\Delta S_f=-Q_f/T_f$ (cedida à fonte fria); nas adiabáticas, $Q=0$ e a entropia não muda. Como o ciclo é reversível, a variação total é nula, logo $Q_q/T_q=Q_f/T_f$. Combinando com a conservação de energia, $W=Q_q-Q_f$, chega-se a $\eta=W/Q_q=1-T_f/T_q$ — exatamente a expressão do resumo, agora justificada pelo conceito de entropia.