Motor térmico vence Limite de Carnot depois de 200 anos

Mec?nica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/02/2025

Efici?ncia de Carnot

Desafiando teorias aceitas h? 200 anos sobre a termodin?mica, uma equipe internacional de f?sicos acaba de demonstrar que ? teoricamente poss?vel projetar um motor t?rmico que atinja a pot?ncia m?xima de sa?da, aproximando-se da chamada "efici?ncia de Carnot", ou "limite de Carnot".

O f?sico franc?s Nicolas L?onard Sadi Carnot (1796-1832) calculou a convers?o ideal de calor em trabalho, criando em 1824 um ciclo ideal que representa um limite superior para a efici?ncia com que se pode converter calor em trabalho, ou vice-versa, fazendo um sistema fechado ciclar por diferentes temperaturas e press?es.

Em termos mais simples, o ciclo de Carnot envolve um dispositivo termodin?mico que converte calor em trabalho mec?nico operando entre dois reservat?rios de temperatura, um quente e um frio. A m?quina t?rmica funciona pegando calor do reservat?rio quente, convertendo parte dele em trabalho ?til e jogando o calor restante para o reservat?rio frio.

No caso ideal da teoria, esse processo ? perfeitamente revers?vel e o motor de Carnot teria efici?ncia m?xima. Na realidade, por?m, motores t?rmicos n?o s?o revers?veis e perdem muita energia na forma de calor.

Mas isso agora pode mudar, gra?as ao trabalho de Shiling Liang e colegas da Alemanha, China e Su??a.

Motor bioqu?mico

Os pesquisadores encararam o problema do limite de Carnot usando um motor t?rmico bioqu?mico, que converte energia termal em energia qu?mica por meio da s?ntese de ATP (adenosina trifosfato), que ocorre nas mitoc?ndrias dos animais e nos cloroplastos dos vegetais.

O saber atual ? que construir um motor que tenha uma efici?ncia pr?xima ? da m?quina t?rmica de Carnot leva um tempo infinito para fazer o trabalho com pot?ncia m?nima. Em termos pr?ticos, os motores podem operar com efici?ncia m?xima movendo-se muito lentamente ou gerar energia ?til sacrificando a efici?ncia.

E h? tamb?m o "princ?pio da 1/2-universalidade", segundo o qual motores t?rmicos operando no regime de resposta linear (pequenas diferen?as de temperatura) podem atingir apenas metade da efici?ncia de Carnot na pot?ncia m?xima.

A solu??o veio na forma de um sistema com n?veis de energia degenerados, o que significa que cada n?vel de energia tem diferentes estados muito pr?ximos uns dos outros, todos correspondendo ao mesmo n?vel de energia. O motor tem dois estados, um de baixa e outro de alta energia, com o estado de energia mais alto sendo capaz de acomodar um n?mero muito maior de configura??es moleculares.

Existem duas vias de rea??o para que as transi??es ocorram entre os n?veis de energia: Uma rea??o de hidr?lise ocorre em baixas temperaturas, enquanto uma transi??o espont?nea ocorre em altas temperaturas. Nessas altas temperaturas, o sistema tende naturalmente para o estado de alta energia porque pode acessar as muitas configura??es poss?veis dispon?veis, tornando a transi??o espont?nea mais prov?vel de ocorrer. Em temperaturas mais baixas, a rea??o de hidr?lise ? mais prov?vel, levando o sistema do estado de baixa energia para o estado de alta energia.

? medida que o tamanho do sistema aumenta, o que significa que o estado de alta energia pode acomodar mais e mais configura??es em compara??o ao estado de baixa energia, as transi??es se tornam mais n?tidas ou semelhantes a interruptores. Esses tipos de transi??es s?o conhecidos como transi??es de fase de primeira ordem e acontecem com perda m?nima de energia.

"Este motor em particular pode atingir a efici?ncia de Carnot na pot?ncia m?xima," resume a equipe.

Desafios

O desafio agora ? encontrar um sistema que permita a implementa??o desse motor de efici?ncia m?xima. Como caminho para essas pesquisas de prosseguimento, a equipe recomenda come?ar pelos biopol?meros, que possuem naturalmente estados com elevada degeneresc?ncia.

O reverso tamb?m ? verdadeiro: Como o sistema opera como um motor bioqu?mico capaz de sintetizar ATP, a estrutura pode ajudar a entender melhor os seres vivos.

Quanto aos motores propriamente ditos, a equipe afirma que "nossa abordagem ir? abrir novos caminhos para otimizar os motores t?rmicos, indo al?m da busca convencional do esquema de controle de ciclo ?timo."

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