Uma máquina térmica é um dispositivo que transforma a energia interna de um combustível em energia mecânica. Também pode ser definida como o dispositivo capaz de converter calor em trabalho. Tanto as máquinas térmicas a vapor, que operam com o vapor d'água produzido em uma caldeira, quanto as máquinas térmicas de combustão interna, que operam devido aos gases gerados pela queima de combustíveis, têm seu funcionamento baseado no aumento da energia interna das substâncias envolvidas e no trabalho realizado; e, ainda, tanto a energia interna quanto o trabalho dependem da quantidade de energia na forma de calor que foi transferida à substância. Considere que determinada máquina térmica absorve de uma fonte de calor 2 kCal de energia térmica e dissipa 2 kJ para um sorvedouro frio. O rendimento dessa máquina é:
- A)≅ 24%.
Errada, porque 24% não corresponde ao quociente entre o trabalho útil e o calor absorvido na situação dada.
- B)≅ 49%.
Errada, pois o rendimento não chega a 49% quando você converte corretamente 2 kCal para joules.
- C)≅ 72%.
Errada, já que 72% fica abaixo do valor obtido ao calcular a razão entre trabalho e calor recebido.
- D)≅ 76%.
Certa, porque o rendimento é aproximadamente 76% após converter 2 kCal em 8372 J e aplicar η = 1 - Qf/Qq.
Gabarito: D
Máquina térmica é, em resumo, um dispositivo que recebe calor de uma fonte quente, transforma parte dessa energia em trabalho e rejeita o restante para uma fonte fria. A ideia central é simples: nem todo o calor absorvido vira trabalho, porque sempre há perdas para o ambiente. Esse é justamente o ponto que aparece em praticamente toda questão de rendimento térmico. O rendimento é dado por η = W/Qq, mas também pode ser escrito como η = 1 - Qf/Qq, em que Qq é o calor recebido da fonte quente e Qf é o calor rejeitado ao sorvedouro frio. Aqui, a máquina absorve 2 kCal e rejeita 2 kJ. Como 1 cal = 4,186 J, então 2 kCal = 2000 cal = 8372 J. Agora fica fácil: o calor útil viraria trabalho de W = 8372 - 2000 = 6372 J. Logo, o rendimento é η = 6372/8372 ≈ 0,762, ou seja, cerca de 76%. É exatamente a alternativa D. Em termos de conceito, a máquina térmica nunca transforma todo o calor em trabalho, porque isso violaria a própria 2ª Lei da Termodinâmica. Por isso, sempre existe uma parcela rejeitada para o meio externo, como ensina a formulação clássica de Kelvin-Planck.