Capítulo 6 · Item 6.1

Máquinas Térmicas e Refrigeradores

Máquinas térmicas e refrigeradores operam entre dois reservatórios, mas com finalidades opostas. A máquina transforma parte do calor recebido da fonte quente em trabalho útil; o refrigerador usa trabalho externo para retirar calor da fonte fria.

A diferença essencial está no sentido dos fluxos de calor e no sinal do trabalho líquido do ciclo.

Dois modos de operação

O sistema percorre um ciclo e retorna ao estado inicial. Assim, a Primeira Lei reduz-se ao balanço entre calor total e trabalho total. O diagrama abaixo fixa os sinais usados em todo o capítulo.

Esquema comparando os fluxos de calor e trabalho de uma máquina térmica e de um refrigerador — O esquema compara uma máquina térmica e um refrigerador na convenção do curso. Na máquina térmica, o sistema recebe calor da fonte quente \((\Delta Q_H>0)\), rejeita calor à fonte fria \((\Delta Q_C<0)\) e entrega trabalho \((\Delta W_{total}<0)\). No refrigerador, o trabalho externo é positivo para o sistema \((\Delta W_{total}>0)\), permitindo retirar calor da fonte fria \((\Delta Q_C>0)\) e rejeitá-lo à fonte quente \((\Delta Q_H<0)\).

Máquina térmica
Fonte fria	\(\Delta Q_C<0\)
Fonte quente	\(\Delta Q_H>0\)
Trabalho líquido	\(\Delta W<0\)
Balanço	\(\Delta Q_H+\Delta Q_C=-\Delta W\)

Refrigerador
Fonte fria	\(\Delta Q_C>0\)
Fonte quente	\(\Delta Q_H<0\)
Trabalho líquido	\(\Delta W>0\)
Balanço	\(\Delta W=-(\Delta Q_H+\Delta Q_C)\)

Eficiência e CoP não medem a mesma coisa

Para uma máquina térmica, queremos maximizar o trabalho entregue por calor absorvido da fonte quente. Para um refrigerador, queremos maximizar o calor retirado da fonte fria por trabalho fornecido.

\[\eta=\frac{\left|\Delta W_{ciclo}\right|}{\Delta Q_H},\qquad CoP=\frac{\Delta Q_C}{\left|\Delta W_{ciclo}\right|}.\]

Por isso \(CoP\) pode ser maior que 1 sem violar a conservação de energia: o trabalho não vira sozinho o calor retirado; ele apenas viabiliza o transporte de energia contra o sentido espontâneo.