Motor térmico

Figura 1: Diagrama do motor de calor

Em termodinâmica e engenharia, uma máquina térmica é um sistema que converte calor em energia utilizável, particularmente energia mecânica, que pode então ser usada para realizar trabalho mecânico. Embora originalmente concebido no contexto da energia mecânica, o conceito de motor térmico foi aplicado a vários outros tipos de energia, particularmente elétrica, pelo menos desde o final do século XIX. O motor térmico faz isso trazendo uma substância de trabalho de uma temperatura de estado mais alta para uma temperatura de estado mais baixa. Uma fonte de calor gera energia térmica que leva a substância de trabalho ao estado de temperatura mais alta. A substância de trabalho gera trabalho no corpo de trabalho do motor enquanto transfere calor para a pia mais fria até atingir um estado de temperatura mais baixa. Durante este processo, parte da energia térmica é convertida em trabalho, explorando as propriedades da substância de trabalho. A substância de trabalho pode ser qualquer sistema com capacidade térmica diferente de zero, mas geralmente é um gás ou líquido. Durante esse processo, algum calor é normalmente perdido para o ambiente e não é convertido em trabalho. Além disso, parte da energia é inutilizável devido ao atrito e ao arrasto.

Em geral, um motor é qualquer máquina que converte energia em trabalho mecânico. Os motores térmicos se distinguem de outros tipos de motores pelo fato de sua eficiência ser fundamentalmente limitada pelo teorema de Carnot. Embora essa limitação de eficiência possa ser uma desvantagem, uma vantagem dos motores térmicos é que a maioria das formas de energia pode ser facilmente convertida em calor por processos como reações exotérmicas (como combustão), fissão nuclear, absorção de luz ou partículas energéticas, fricção, dissipação e resistência. Como a fonte de calor que fornece energia térmica ao motor pode ser alimentada por praticamente qualquer tipo de energia, os motores térmicos cobrem uma ampla gama de aplicações.

Os motores térmicos são frequentemente confundidos com os ciclos que tentam implementar. Normalmente, o termo "motor" é usado para um dispositivo físico e "ciclo" para os modelos.

Visão geral

Na termodinâmica, os motores térmicos são frequentemente modelados usando um modelo de engenharia padrão, como o ciclo Otto. O modelo teórico pode ser refinado e aumentado com dados reais de um motor em operação, usando ferramentas como um diagrama de indicadores. Como muito poucas implementações reais de motores térmicos correspondem exatamente aos seus ciclos termodinâmicos subjacentes, pode-se dizer que um ciclo termodinâmico é um caso ideal de um motor mecânico. Em qualquer caso, entender completamente um motor e sua eficiência requer um bom entendimento do modelo teórico (possivelmente simplificado ou idealizado), as nuances práticas de um motor mecânico real e as discrepâncias entre os dois.

Em termos gerais, quanto maior a diferença de temperatura entre a fonte quente e o sumidouro frio, maior é a eficiência térmica potencial do ciclo. Na Terra, o lado frio de qualquer motor térmico é limitado a estar próximo da temperatura ambiente do ambiente, ou não muito abaixo de 300 kelvin, então a maioria dos esforços para melhorar a eficiência termodinâmica de vários motores térmicos se concentra em aumentar a temperatura do fonte, dentro dos limites materiais. A eficiência teórica máxima de um motor térmico (que nenhum motor jamais atinge) é igual à diferença de temperatura entre as extremidades quente e fria dividida pela temperatura na extremidade quente, cada uma expressa em temperatura absoluta.

A eficiência de vários motores térmicos propostos ou usados hoje tem uma grande variedade:

• 3% (97 por cento de calor residual usando calor de baixa qualidade) para a conversão de energia térmica do oceano (OTEC) proposta de energia do oceano
• 25% para a maioria dos motores a gasolina automotiva
• 49% para uma central eléctrica supercrítmica a carvão, como a Estação de Energia Avedøre
• 60% para uma turbina de gás de ciclo combinado

A eficiência desses processos é aproximadamente proporcional à queda de temperatura entre eles. Energia significativa pode ser consumida por equipamentos auxiliares, como bombas, o que efetivamente reduz a eficiência.

Exemplos

É importante observar que, embora alguns ciclos tenham um local de combustão típico (interno ou externo), eles geralmente podem ser implementados com o outro. Por exemplo, John Ericsson desenvolveu um motor aquecido externo funcionando em um ciclo muito parecido com o ciclo Diesel anterior. Além disso, motores aquecidos externamente podem frequentemente ser implementados em ciclos abertos ou fechados. Em um ciclo fechado, o fluido de trabalho é retido dentro do motor no final do ciclo, enquanto em um ciclo aberto, o fluido de trabalho é trocado com o ambiente junto com os produtos da combustão no caso do motor de combustão interna ou simplesmente ventilado para o meio ambiente no caso de motores de combustão externa, como motores a vapor e turbinas.

Exemplos do dia a dia

Exemplos cotidianos de motores térmicos incluem usinas termelétricas, motores de combustão interna, armas de fogo, refrigeradores e bombas de calor. As estações de energia são exemplos de motores térmicos que funcionam em uma direção direta, na qual o calor flui de um reservatório quente e flui para um reservatório frio para produzir trabalho como o produto desejado. Geladeiras, condicionadores de ar e bombas de calor são exemplos de motores térmicos que funcionam ao contrário, ou seja, utilizam trabalho para retirar energia térmica a baixa temperatura e elevar sua temperatura de forma mais eficiente do que a simples conversão de trabalho em calor (seja por fricção ou resistência elétrica). Os refrigeradores removem o calor de dentro de uma câmara termicamente selada em baixa temperatura e liberam o calor residual em uma temperatura mais alta para o ambiente e as bombas de calor retiram o calor do ambiente de baixa temperatura e 'ventilam' em uma câmara selada termicamente (uma casa) em temperatura mais alta.

Em geral, os motores térmicos exploram as propriedades térmicas associadas à expansão e compressão dos gases de acordo com as leis dos gases ou as propriedades associadas às mudanças de fase entre os estados gasoso e líquido.

Máquina térmica da Terra

A atmosfera da Terra e a hidrosfera - o motor térmico da Terra - são processos acoplados que equilibram constantemente os desequilíbrios do aquecimento solar por meio da evaporação da água da superfície, convecção, chuva, ventos e circulação oceânica, ao distribuir o calor ao redor do globo.

Uma célula de Hadley é um exemplo de máquina térmica. Envolve a ascensão do ar quente e úmido na região equatorial da Terra e a descida do ar mais frio nos subtrópicos, criando uma circulação direta impulsionada termicamente, com a consequente produção líquida de energia cinética.

Ciclos de mudança de fase

Nesses ciclos e motores, os fluidos de trabalho são gases e líquidos. O motor converte o fluido de trabalho de gás para líquido, de líquido para gás, ou ambos, gerando trabalho a partir da expansão ou compressão do fluido.

• Ciclo de Rankine (motor de vapor clássico)
• Ciclo regenerativo (motor de vapor mais eficiente do que o ciclo de Rankine)
• Ciclo de Rankine Orgânico (Fase de mudança de Coolant em intervalos de temperatura de gelo e água líquida quente)
• Vapor para o ciclo líquido (Ave bebendo, Injector, Minto Wheel)
• Líquido ao ciclo sólido (aquecimento frio – água mudando de gelo para líquido e de volta novamente pode levantar rocha até 60 cm.)
• Sólido ao ciclo de gás (armas de fogo – propelentes sólidos combustíveis a gases quentes.)

Ciclos somente a gás

Nesses ciclos e motores, o fluido de trabalho é sempre um gás (ou seja, não há mudança de fase):

• Ciclo de carnot (motor de calor de carnot)
• Ciclo de Ericsson (Caloric Ship John Ericsson)
• Ciclo de Stirling (motor de perfuração, dispositivos termoacústicos)
• Motor de combustão interna (ICE):
  • Ciclo Otto (por exemplo, motor Gasolina/Petrol)
  • Ciclo diesel (por exemplo, motor diesel)
  • Ciclo de Atkinson (motor de Atkinson)
  • Ciclo de Brayton ou ciclo de Joule originalmente ciclo de Ericsson (gerador de gás)
  • Ciclo de Lenoir (por exemplo, motor a jato de pulso)
  • Ciclo de Miller (motor de microfone)

Ciclos somente líquidos

Nestes ciclos e motores, o fluido de trabalho é sempre líquido:

• Ciclo de Stirling (Malone engine)
• Ciclone regenerativo de calor

Ciclos de elétrons

• Conversor de energia térmica Johnson
• Termoelétrico (efeito de plataforma)
• Célula termogalvariana
• Emissão termiônica
• Refrigeração térmica

Ciclos magnéticos

• Motor termomagnético (Tesla)

Ciclos usados para refrigeração

Um refrigerador doméstico é um exemplo de bomba de calor: um motor térmico ao contrário. O trabalho é usado para criar um diferencial de calor. Muitos ciclos podem ser executados ao contrário para mover o calor do lado frio para o lado quente, tornando o lado frio mais frio e o lado quente mais quente. Versões de motor de combustão interna desses ciclos são, por natureza, não reversíveis.

Os ciclos de refrigeração incluem:

• Máquina do ciclo de ar
• Frigorífico de absorção de gás
• Refrigeração magnética
• Refrigerador de óleo
• Vapor-compressão refrigeração
• Ciclo de Vuilleumier

Motores de calor evaporativo

O motor de evaporação Barton é um motor térmico baseado em um ciclo de produção de energia e ar úmido resfriado a partir da evaporação da água em ar quente e seco.

Motores térmicos mesoscópicos

Os motores térmicos mesoscópicos são dispositivos em nanoescala que podem servir ao objetivo de processar fluxos de calor e realizar trabalhos úteis em pequenas escalas. As aplicações potenciais incluem, e. dispositivos de resfriamento elétrico. Em tais motores térmicos mesoscópicos, o trabalho por ciclo de operação flutua devido ao ruído térmico. Existe uma igualdade exata que relaciona a média dos expoentes do trabalho realizado por qualquer máquina térmica e a transferência de calor do banho de calor mais quente. Essa relação transforma a desigualdade de Carnot em igualdade exata. Esta relação também é uma igualdade do ciclo de Carnot

Eficiência

A eficiência de uma máquina térmica relaciona quanto trabalho útil é produzido para uma determinada quantidade de entrada de energia térmica.

Das leis da termodinâmica, após um ciclo completo:

W+Q= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? cSim.cEu...eU= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0Não. W+Q=Delta _{cycle} U=0

e, portanto,

W= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. Q= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. (Qc+Qh)Não. W=-Q=-(Q_{c}+Q_{h})}

Onde?

W= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. :: PDV- Sim. PdV é o trabalho líquido extraído do motor em um ciclo. (É negativo, na convenção IUPAC, uma vez que o trabalho é feito por o motor.)

0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Qh>0- Sim.0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b105ac12e7222455fdd06847cb204b847fea7591" style="vertical-align: -0.671ex; width:7.278ex; height:2.509ex;"/> é a energia térmica obtida a partir da fonte de calor de alta temperatura nos arredores em um ciclo. (É positivo porque a energia térmica é adicionado para o motor.)

<math alttext="{displaystyle Q_{c}=-|Q_{c}|Qc= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. |Qc|<0Não. Q_{c}=-|Q_{c}|<0}<img alt="{displaystyle Q_{c}=-|Q_{c}| é o calor residual dado pelo motor ao dissipador de calor de temperatura fria. (É negativo desde que o calor é perdido. pelo motor para a pia.)

Em outras palavras, uma máquina térmica absorve energia térmica da fonte de calor de alta temperatura, convertendo parte dela em trabalho útil e liberando o restante como calor residual para o dissipador de calor de temperatura fria.

Em geral, a eficiência de um determinado processo de transferência de calor é definida pela relação de "o que é retirado" para "o que é colocado dentro". (Para um refrigerador ou bomba de calor, que pode ser considerado como um motor de calor executado no reverso, este é o coeficiente de desempenho e é ≥ 1.) No caso de um motor, um deseja extrair o trabalho e tem de pôr em calor Qh{displaystyle Q_{h}}, por exemplo, da combustão de um combustível, de modo que a eficiência do motor é razoavelmente definida como

? ? = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =|W|Qh= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Qh+QcQh= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1+QcQh= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1- Sim. - Sim. |Qc|Qh{displaystyle eta ={frac {|W|}{Q_{h}}}={frac {Q_{h}+Q_{c}}{Q_{h}}}=1+{frac {Q_{c}}{Q_{h}}}=1-{frac {|Q_{c}|}{Q_{h}}}}

A eficiência é inferior a 100% devido ao calor residual <math alttext="{displaystyle Q_{c}Qc<0- Sim.<img alt="{displaystyle Q_{c} inevitavelmente perdido para a pia fria (e trabalho de compressão correspondente colocado dentro) durante a recompressão necessária na temperatura fria antes que o curso de energia do motor possa ocorrer novamente.

A eficiência máxima teórica de qualquer máquina térmica depende apenas das temperaturas entre as quais ela opera. Esta eficiência é geralmente obtida usando uma máquina térmica imaginária ideal, como a máquina térmica de Carnot, embora outras máquinas que usam ciclos diferentes também possam atingir a eficiência máxima. Matematicamente, após um ciclo completo, a variação geral da entropia é zero:

? ? Sh+? ? Sc= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? cSim.cEu...eS= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0{displaystyle Delta S_{h}+ Delta S_{c}= Delta _{cycle}S=0}

Note que ? ? ShNão. Delta S_{h}} é positivo porque a expansão isotérmica no curso de energia aumenta a multiplicidade do fluido de trabalho enquanto ? ? ScNão. Delta S_{c}} é negativo, uma vez que a recompressão diminui a multiplicidade. Se o motor é ideal e corre reversivelmente, Qh= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Th? ? ShNão. Q_{h}=T_{h} Delta S_{h}} e Qc= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Tc? ? ScNão. Q_{c}=T_{c} Delta S_{c}}e assim

Qh/Th+Qc/Tc= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0Não. Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0},

que dá Qc/Qh= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. Tc/ThNão. Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}} e, assim, o limite de Carnot para a eficiência do motor de calor,

? ? máx.= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1- Sim. - Sim. TcTh{displaystyle eta _{text{max}}=1-{frac {T_{c}}{T_{h}}}}

Onde? ThNão. T_{h}} é a temperatura absoluta da fonte quente e TcNão. T_{c}} o da pia fria, geralmente medido em kelvins.

O raciocínio por trás disso é a eficiência máxima é a seguinte. Supõe-se primeiro que, se um motor térmico mais eficiente do que um motor de Carnot for possível, ele poderá ser acionado ao contrário como uma bomba de calor. A análise matemática pode ser usada para mostrar que essa combinação assumida resultaria em uma diminuição líquida na entropia. Visto que, pela segunda lei da termodinâmica, isso é estatisticamente improvável a ponto de ser excluído, a eficiência de Carnot é um limite teórico superior na eficiência confiável de qualquer ciclo termodinâmico.

Empiricamente, nenhuma máquina térmica jamais demonstrou funcionar com maior eficiência do que uma máquina térmica de ciclo de Carnot.

A Figura 2 e a Figura 3 mostram variações na eficiência do ciclo de Carnot com a temperatura. A Figura 2 indica como a eficiência muda com um aumento na temperatura de adição de calor para uma temperatura constante de entrada do compressor. A Figura 3 indica como a eficiência muda com o aumento da temperatura de rejeição de calor para uma temperatura de entrada da turbina constante.

Figura 2: Eficiência do ciclo do carnot com a mudança da temperatura da adição de calor.

Figura 3: Eficiência do ciclo do carnot com a mudança da temperatura da rejeição do calor.

Motores térmicos endo-reversíveis

Por sua natureza, qualquer ciclo de Carnot maximamente eficiente deve operar em um gradiente de temperatura infinitesimal; isso ocorre porque qualquer transferência de calor entre dois corpos de temperaturas diferentes é irreversível, portanto a expressão de eficiência de Carnot se aplica apenas ao limite infinitesimal. O maior problema é que o objetivo da maioria dos motores térmicos é gerar potência, e uma potência infinitesimal raramente é desejada.

Uma medida diferente da eficiência ideal do motor térmico é dada por considerações de termodinâmica endorversível, onde o sistema é quebrado em subsistemas reversíveis, mas com interações não reversíveis entre eles. Um exemplo clássico é o motor Curzon-Ahlborn, muito semelhante a um motor Carnot, mas onde os reservatórios térmicos à temperatura ThNão. T_{h}} e TcNão. T_{c}} são autorizados a ser diferente das temperaturas da substância passando pelo ciclo reversível Carnot: Th?Não. T'_{h}} e Tc?Não. T'_{c}}. As transferências de calor entre os reservatórios e a substância são consideradas condutoras (e irreversíveis) na forma DQh,c/D)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =α α (Th,c- Sim. - Sim. Th,c?)Não. dQ_{h,c}/dt=alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})}. Neste caso, um tradeoff tem de ser feito entre a saída de energia e a eficiência. Se o motor é operado muito lentamente, o fluxo de calor é baixo, T? ? T?{displaystyle Tapprox T'} e o resultado Carnot clássico é encontrado

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mas ao preço de uma saída de energia que está desaparecendo. Se, em vez disso, optarmos por operar o motor em sua potência máxima de saída, a eficiência se torna

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Este modelo faz um trabalho melhor de prever o quão bem os motores de calor do mundo real podem fazer (Callen 1985, veja também termodinâmica endoreversível):

Eficiências das centrais eléctricas

Estação de alimentação	TcNão. T_{c}} (°C)	ThNão. T_{h}} (°C)	? ? - Sim. (Carnot)	? ? - Sim. (Endor reversível)	? ? - Sim. (Observado)
West Thurrock (UK) central eléctrica a carvão	25	565	0,64	0	0,36
CANDU (Canadá) central nuclear	25	300	0,78	0,28	0.30
Estação de energia geotérmica Larderello (Itália)	80	250	0,3	0,178	0,16

Como mostrado, a eficiência de Curzon-Ahlborn modela muito mais de perto que a observada.

História

Os motores térmicos são conhecidos desde a antiguidade, mas só foram transformados em dispositivos úteis na época da revolução industrial no século XVIII. Eles continuam a ser desenvolvidos hoje.

Aprimoramentos

Os engenheiros estudaram os vários ciclos do motor térmico para melhorar a quantidade de trabalho utilizável que poderiam extrair de uma determinada fonte de energia. O limite do ciclo de Carnot não pode ser alcançado com nenhum ciclo baseado em gás, mas os engenheiros encontraram pelo menos duas maneiras de contornar esse limite e uma maneira de obter melhor eficiência sem quebrar nenhuma regra:

1. Aumente a diferença de temperatura no motor de calor. A maneira mais simples de fazer isso é aumentar a temperatura do lado quente, que é a abordagem usada nas modernas turbinas de gás de ciclo combinado. Infelizmente, os limites físicos (como o ponto de fusão dos materiais utilizados para construir o motor) e as preocupaçÃμes ambientais sobre a produção NOx (se a fonte de calor é combustão com ar ambiente) restringem a temperatura máxima em motores de calor viáveis. As turbinas de gás modernas funcionam a temperaturas o mais altas possível dentro da gama de temperaturas necessárias para manter NÃO aceitável_x saída. Outra maneira de aumentar a eficiência é diminuir a temperatura de saída. Um novo método de fazê-lo é usar fluidos de trabalho químicos mistos, em seguida, explorar o comportamento em mudança das misturas. Um dos mais famosos é o chamado ciclo Kalina, que usa uma mistura de 70/30 de amônia e água como seu fluido de trabalho. Esta mistura permite que o ciclo para gerar energia útil a temperaturas consideravelmente mais baixas do que a maioria dos outros processos.
2. Explorar as propriedades físicas do fluido de trabalho. A exploração mais comum é o uso de água acima do ponto crítico (água supercrítica). O comportamento de fluidos acima de seu ponto crítico muda radicalmente, e com materiais como água e dióxido de carbono é possível explorar essas mudanças no comportamento para extrair maior eficiência termodinâmica do motor de calor, mesmo que esteja usando um ciclo de Brayton ou Rankine bastante convencional. Um material mais recente e muito promissor para tais aplicações é CO2 supercrítico. SO2 e xenon também foram considerados para tais aplicações. As desvantagens incluem questões de corrosão e erosão, o comportamento químico diferente acima e abaixo do ponto crítico, as altas pressões necessárias e – no caso de dióxido de enxofre e, em menor medida, dióxido de carbono – toxicidade. Entre os compostos mencionados xenon é menos adequado para uso em um reator nuclear devido à alta seção transversal de absorção de nêutrons de quase todos os isótopos de xenônio, enquanto o dióxido de carbono e a água também podem dobrar como um moderador de nêutrons para um reator de espectro térmico.
3. Explorar as propriedades químicas do fluido de trabalho. Uma exploração bastante nova e nova é usar fluidos de trabalho exóticos com propriedades químicas vantajosas. Um desses é o dióxido de nitrogênio (NO₂), um componente tóxico de smog, que tem um dimer natural como tetraóxido de dinitrogénio (NN₂O₄). A baixa temperatura, o N₂O₄ é comprimido e, em seguida, aquecido. A temperatura crescente causa cada N₂O₄ para se separar em dois NÃO₂ moléculas. Isso reduz o peso molecular do fluido de trabalho, o que aumenta drasticamente a eficiência do ciclo. Uma vez que o NÃO₂ expandiu-se através da turbina, é arrefecido pelo dissipador de calor, o que o faz recombinar em N₂O₄. Isto é então alimentado de volta pelo compressor para outro ciclo. Tais espécies como brometo de alumínio (Al₂B.₆), NOCl, e Ga₂Eu...₆ todos foram investigados para tais usos. Até o momento, suas desvantagens não justificaram seu uso, apesar dos ganhos de eficiência que podem ser realizados.

Processos de motores térmicos

Cada processo é um dos seguintes:

• isotérmico (a temperatura constante, mantido com calor adicionado ou removido de uma fonte de calor ou pia)
• isobárico (a pressão constante)
• isométrico/isocórico (em volume constante), também referido como isovolumétrico
• adiabático (nenhum calor é adicionado ou removido do sistema durante o processo adiabático)
• isentropic (processo adiabático reversível, nenhum calor é adicionado ou removido durante o processo isentropic)