Motor térmico vence Limite de Carnot depois de 200 anos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/02/2025

O ciclo de Carnot é um modelo geral de produção de energia que pode ser aplicado a qualquer fonte de energia térmica. Concebido em 1824, quando existiam apenas motores a vapor, ele pode igualmente ser aplicado hoje em usinas de energia nuclear ou solar.
[Imagem: UVA]

Eficiência de Carnot

Desafiando teorias aceitas há 200 anos sobre a termodinâmica, uma equipe internacional de físicos acaba de demonstrar que é teoricamente possível projetar um motor térmico que atinja a potência máxima de saída, aproximando-se da chamada "eficiência de Carnot", ou "limite de Carnot".

O físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) calculou a conversão ideal de calor em trabalho, criando em 1824 um ciclo ideal que representa um limite superior para a eficiência com que se pode converter calor em trabalho, ou vice-versa, fazendo um sistema fechado ciclar por diferentes temperaturas e pressões.

Em termos mais simples, o ciclo de Carnot envolve um dispositivo termodinâmico que converte calor em trabalho mecânico operando entre dois reservatórios de temperatura, um quente e um frio. A máquina térmica funciona pegando calor do reservatório quente, convertendo parte dele em trabalho útil e jogando o calor restante para o reservatório frio.

No caso ideal da teoria, esse processo é perfeitamente reversível e o motor de Carnot teria eficiência máxima. Na realidade, porém, motores térmicos não são reversíveis e perdem muita energia na forma de calor.

Mas isso agora pode mudar, graças ao trabalho de Shiling Liang e colegas da Alemanha, China e Suíça.

Motor bioquímico operando entre dois banhos térmicos para converter energia térmica em química através da síntese de ATP.
[Imagem: Shiling Liang et al. - 10.1103/PhysRevLett.134.027101]

Motor bioquímico

Os pesquisadores encararam o problema do limite de Carnot usando um motor térmico bioquímico, que converte energia termal em energia química por meio da síntese de ATP (adenosina trifosfato), que ocorre nas mitocôndrias dos animais e nos cloroplastos dos vegetais.

O saber atual é que construir um motor que tenha uma eficiência próxima à da máquina térmica de Carnot leva um tempo infinito para fazer o trabalho com potência mínima. Em termos práticos, os motores podem operar com eficiência máxima movendo-se muito lentamente ou gerar energia útil sacrificando a eficiência.

E há também o "princípio da 1/2-universalidade", segundo o qual motores térmicos operando no regime de resposta linear (pequenas diferenças de temperatura) podem atingir apenas metade da eficiência de Carnot na potência máxima.

A solução veio na forma de um sistema com níveis de energia degenerados, o que significa que cada nível de energia tem diferentes estados muito próximos uns dos outros, todos correspondendo ao mesmo nível 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 número muito maior de configurações moleculares.

Existem duas vias de reação para que as transições ocorram entre os níveis de energia: Uma reação de hidrólise ocorre em baixas temperaturas, enquanto uma transição espontânea ocorre em altas temperaturas. Nessas altas temperaturas, o sistema tende naturalmente para o estado de alta energia porque pode acessar as muitas configurações possíveis disponíveis, tornando a transição espontânea mais provável de ocorrer. Em temperaturas mais baixas, a reação de hidrólise é mais provável, levando o sistema do estado de baixa energia para o estado de alta energia.

À medida que o tamanho do sistema aumenta, o que significa que o estado de alta energia pode acomodar mais e mais configurações em comparação ao estado de baixa energia, as transições se tornam mais nítidas ou semelhantes a interruptores. Esses tipos de transições são conhecidos como transições de fase de primeira ordem e acontecem com perda mínima de energia.

"Este motor em particular pode atingir a eficiência de Carnot na potência máxima," resume a equipe.

Motor térmico sem partes móveis pode substituir turbinas em termoelétricas.
[Imagem: Felice Frankel]

Desafios

O desafio agora é encontrar um sistema que permita a implementação desse motor de eficiência máxima. Como caminho para essas pesquisas de prosseguimento, a equipe recomenda começar pelos biopolímeros, que possuem naturalmente estados com elevada degenerescência.

O reverso também é verdadeiro: Como o sistema opera como um motor bioquímico 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 irá abrir novos caminhos para otimizar os motores térmicos, indo além da busca convencional do esquema de controle de ciclo ótimo."

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