Relatorio Da Eficiência De Carnot

Objetivos

• Calcular a eficiência térmica de uma máquina térmica e comparar com a eficiência de Carnot.

Fundamentação Teórica

• O sistema eficiência térmica pode ser usado como uma máquina de calor (motor) ou como uma bomba de calor (refrigerador). Quando usado como motor o calor é extraído de um reservatório quente e usado para realizar trabalho através de um resistor de carga. O rendimento desta máquina pode ser obtido experimentalmente e comparado com o valor máximo do rendimento teórico. Quando usado como refrigerador o calor é transferido de uma fonte fria para uma fonte quente. O coeficiente de desempenho e o coeficiente de desempenho máximos também podem ser obtidos.

O sistema foi construído embasado num conversor termoelétrico chamado dispositivo de Peltier. Para simular uma máquina de calor, um lado do dispositivo de Peltier é mantido a baixa temperatura (constante), através do bombeamento de água gelada e o outro lado, a alta temperatura (constante), através de um resistor colocado no seu interior e conectado a uma fonte. As temperaturas são medidas com termopares adequadamente conectados ao dispositivo.

O princípio teórico do funcionamento do sistema eficiência térmica é conhecido desde 1800, mas apenas recentemente, com o desenvolvimento dos semicondutores, tem sido utilizado na prática.

Em 1821, o Físico Russo-Germânico Thomas Johan Seebeck descobriu que quando uma junção de metais diferentes eram aquecidas, uma corrente era produzida. Este fenômeno é conhecido como Efeito Seebeck. Este é o princípio básico do termopar.

Em 1834, Jean Charles Peltier descobriu o oposto do Efeito Seebeck, que quando uma corrente circula através de uma junção de metais diferentes, calor é absorvido ou liberado, dependendo da direção que a corrente circula.

Já que este sistema opera desta forma, o conversor termoelétrico é chamado de dispositivo de Peltier. Entretanto o sistema mostra o Efeito Seebeck, pois se os dois lados do dispositivo são mantidos a diferentes temperaturas, surge uma corrente elétrica.

Atualmente utilizam-se junções pn para obtenção do Efeito Seebeck.

O arranjo de diferentes semicondutores é mostrado na figura abaixo:

Se o lado esquerdo do dispositivo é mantido a uma temperatura maior que do lado direito, então os buracos que são gerados próximos à junção migram para a região p e elétrons migram para a região n. No outro lado da junção ocorre o mesmo processo, mas com uma velocidade menor, tal que o efeito total é o fluxo de elétrons da região n do lado quente para o lado frio. Então há uma corrente elétrica do lado frio para o lado quente na região n.

Uma máquina de calor usa a diferença de temperatura entre um reservatório e outro para realizar trabalho. Um reservatório de calor é considerado alguma coisa que tenha a propriedade de fornecer ou receber calor infinitamente e manter sua temperatura constante. No aparato que vamos utilizar, o reservatório quente será um resistor e uma mistura de água com gelo será o reservatório frio.

A máquina de calor realiza trabalho através de uma corrente que passa por um resistor de carga. O trabalho é convertido em calor que é dissipado neste resistor.

Uma máquina de calor está representada do diagrama abaixo:

Pela lei de conservação de energia (primeira lei da termodinâmica) conclui-se que:

Qh = W +Qc, ou seja o calor que entra na máquina é igual ao trabalho feito sobre sua vizinhança mais o calor que vai para o reservatório frio.

O rendimento da máquina de calor é definido como o trabalho realizado dividido pelo calor fornecido:

-

Note que o rendimento é sempre menor que 1 (um). Para que o rendimento seja 1 é necessário que todo calor fornecido seja integralmente transformado em trabalho.

OBS: Para a prática “Eficiência Térmica” são medidas as potências de entrada e saída e o rendimento é dado por :

 Rendimento de Carnot:

Carnot mostrou que o máximo rendimento de uma máquina de calor depende somento das temperaturas entre as quais a máquina trabalha e não do tipo de máquina.

Onde as temperaturas são em Kelvim. Em conseqüência, a única máquina que pode ter rendimento de 100% deve operar entre Th e o zero absoluto. O rendimento de Carnot é o melhor que uma máquina pode alcançar entre os mesmos pares de temperatura, considerando-se que não haja perda de energia por atrito, condução de calor, radiação e efeito Joule.

Observação:

 Energia do reservatório quente (Ph).

O reservatório quente é mantido a uma temperatura constante através de uma corrente elétrica que circula por um resistor. Neste caso, a resistência varia com a temperatura entào é necessário medir a corrente e a voltagem para obter a energia que entra no sistema: Ph = Ih.Vh.

 Energia dissipada no resistor de carga (Pw).

Materiais Utilizados

• Aparato de Eficiência Térmica;

• Multimetros;

• Cabos de ligação;

• 3 kg de gelo;

• Fonte DC 2.5A e 12V;

Procedimento e Diagrama do Experimento

(1) Preparar o banho de gelo;

(2) Conectar os cabos, multímetros e a fonte alimentadora como o diagrama abaixo:

(3) Ajustar a fonte a uma tensão inicial de 1V;

(4) Esperar o sistema atingir o equilíbrio tal que as temperaturas quente e fria seam constantes. Isto pode levar 5 a 10 minutos e pode depender das temperaturas iniciais.

(5) Medimos as resistências de temperatura do lado quente e do lado frio;

(6) Registramos as respectivas resistências anteriores em uma tabela e convertemos os valores das resistências para temperatura de acordo