As máquinas a vapor, sendo máquinas térmicas reais, operam em ciclos

Máquinas térmicas

Máquinas térmicas são dispositivos que transformam a energia interna de um combustível em energia mecânica. Máquinas térmicas convertem calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes – uma fonte quente e uma fonte fria. Basicamente, o calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixo (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da Termodinâmica, e transformando parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, portanto, rejeita menor calor para a fonte fria.

As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor – gás ou vapor em expansão térmica – para provocar a realização de um trabalho mecânico.

O cilindro com pistão móvel é, portanto, um dos principais componentes de uma máquina térmica. O gás preso do cilindro sob pressão, quando aquecido, se expande, desloca o pistão e realiza o trabalho.

Há diferentes tipos de máquinas térmicas, mas todas elas possuem as seguintes características:

• recebem calor de uma fonte quente, seja um coletor de energia solar, um reator nuclear, uma fornalha a combustível etc.
•  funcionam por ciclos

As máquinas térmicas normalmente utilizam um fluído para receber e ceder calor. Esse fluido é denominado de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria:

Wt= W2 - W1

Wt = trabalho líquido ou total da máquina térmica
W2 = trabalho da fonte quente
W1 = trabalho da fonte fria

O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:

Wt= Q2 - Q1

Q2 = calor cedido da fonte quente
Q1= calor recebido pela fonte fria

O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre a potência útil – trabalho produzido pela máquina térmica – e a potência total – calor fornecido à máquina térmica pela fonte quente. Ou seja, o rendimento é o que se obtém pelo que se dá de trabalho.

A parte de calor que não é utilizada para a realização de trabalho é cedida à fonte fria, ou é dissipada. Portanto, uma máquina térmica não transforma todo o calor em trabalho. A Segunda Lei da Termodinâmica nos ensina que é impossísvel transformar todo calor em trabalho, refletindo o fato de que o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

O rendimento de uma máquina térmica pode ser calculado ao se saber quanto de trabalho ela produz e quanto de calor é fornecido pela fonte quente.

Matematicamente, o rendimento sempre resulta num valor menor que 1 ou 100%:

O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. O rendimento de máquinas térmicas costuma ser baixo. Exemplos: motores de automóveis têm um rendimento de aproximadamente 30%, motores a diesel, 50%, e grandes turbinas a gas, 80%.

A energia que não é aproveitada pela máquina é expulsa para o meio ambiente, na forma de energia “perdida”.

O engenheiro francês Nicolas Leonard Sadi Carnot imaginou um ciclo ideal, o Ciclo de Carnot, onde a eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico seria máxima. Porém, seus estudos logo apontaram que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina a vapor. Esta realização serviu de base para a formulação da Segunda Lei da Termodinâmica.

O surgimento das máquinas térmicas

Desde a Antiguidade, sabia-se que o calor poderia ser utilizado para produzir vapor e que este poderia ser empregado para se desempenhar trabalho mecânico. No século I d.C. um inventor grego, Heron de Alexandria, construiu um dispositivo que era constituído por uma esfera de metal com dois furos, dos quais escapava ar quente, vapor, que provinha do aquecimento da água. Este dispositivo criado por Heron era uma máquina térmica: transformava calor em trabalho mecânico. Contudo, a invenção de Heron não foi utilizada para produzir grandes quantidades de energia mecânica. Foi apenas no século XVIII que foram construídas as primeiras máquinas capazes de realizar trabalhos industriais.

As primeiras máquinas térmicas tinham rendimentos muito baixos: consumiam grandes quantidades de combustível, mas realizavam pequenos trabalhos. Isto veio a mudar graças ao trabalho do grande inventor escocês, James Watt, que inventou uma máquina a vapor com menores problemas de perda de energia e que poderia também gerar movimento circular. A máquina inventada por Watt foi empregada nos moinhos e no acionamento de bombas d’água. Posteriormente, foi empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Também passou a ser muito utilizada nas fábricas, para acionar dispositivos industriais. A importância da invenção de Watt evidencia-se pelo fato de ter sido um dos fatores que contribuiu decisivamente para o avanço da Revolução Industrial.

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Máquinas térmicas são dispositivos que conseguem converter parcialmente a energia térmica, na forma de calor, em trabalho mecânico. Toda máquina térmica necessita de uma substância de trabalho, à qual a máquina transfere parte do calor absorvido por uma fonte quente, fazendo-a aquecer e esfriar de forma cíclica.

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Como funcionam as máquinas térmicas?

As máquinas térmicas operam em ciclos, isto é, a substância de trabalho usada para movê-las passa diversas vezes pelo mesmo estado de pressão, volume e temperatura. Além disso, toda máquina térmica tem um reservatório térmico quente e um frio, para onde uma parte da energia térmica é dissipada. Por menor que seja a quantidade de energia dissipada durante o funcionamento desse tipo de equipamento, seu rendimento nunca será igual a 100%, uma vez que essa situação violaria a terceira lei da Termodinâmica.

A máquina térmica com maior rendimento possível é a máquina de Carnot, que é um artefato teórico, ou seja, não existe na vida real. Sadi Carnot, pautado nas leis da Termodinâmica, conseguiu provar que nenhuma máquina térmica real, operando em um determinado intervalo de temperatura, é capaz de apresentar um rendimento superior ao obtido pela máquina de Carnot.

Nesse sentido, quando uma máquina térmica é projetada, é desejável que o seu ciclo de operação seja o mais parecido possível com o ciclo de uma máquina de Carnot.

O que se obtém do funcionamento de uma máquina térmica é o que chamamos de trabalho mecânico. Por meio da movimentação de pistões, as máquinas térmicas conseguem aproveitar uma pequena fração da energia térmica em seu interior, transformando-a em movimento. O trabalho realizado por uma máquina térmica também pode ser obtido subtraindo-se o calor absorvido pela máquina com o calor que é dissipado durante seu funcionamento.

QQ – calor fornecido pela fonte quente (cal ou J)

QF – calor dissipado para a fonte fria (cal ou J)

O rendimento da máquina de Carnot só depende das temperaturas das fontes quente e fria, em kelvin:

TF e TQ – temperatura das fontes quente e fria (K)

Para uma máquina térmica real, o rendimento é calculado de forma diferente — ele depende diretamente da quantidade de calor que a máquina absorve de sua fonte quente e da quantidade de calor que a máquina dissipa para a fonte fria. Observe:

O rendimento das máquinas térmicas reais também pode ser calculado com base na quantidade de trabalho que a máquina consegue realizar dividida pela quantidade total de calor que ela absorve.

A fim de se descobrir qual é a potência desenvolvida por uma máquina térmica, é necessário que se divida a quantidade de trabalho que a máquina produz pelo intervalo de tempo em que esse trabalho foi produzido.

P – potência da máquina (W – watts)

Δt – intervalo de tempo (s)

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Resumo sobre máquinas térmicas

• Máquinas térmicas convertem calor em trabalho mecânico.

• Máquinas térmicas operam em ciclos.

• Nenhuma máquina térmica tem 100% de rendimento.

• A máquina térmica de maior rendimento é a máquina de Carnot.

Agora que já vimos a teoria relacionada às máquinas térmicas, que tal resolver alguns exercícios?

Exercício sobre máquinas térmicas

Questão 1 — Uma máquina térmica absorve 600 cal de energia térmica proveniente de uma fonte de calor e dissipa 150 J para um sorvedouro frio. O rendimento dessa máquina é:

a) 50%.

b) 75 %.

c) 25%.

d) 67,5%.

Resolução:

Para descobrirmos o rendimento dessa máquina térmica, basta utilizar a fórmula que relaciona o calor absorvido com o calor dissipado.

Questão 2 — O rendimento de uma máquina térmica real é de 20%. Sabendo que essa máquina realiza 5 kJ de trabalho a cada ciclo, determine qual é a quantidade total de energia térmica absorvida pela máquina durante um ciclo completo.

a) 10 kJ

b) 15 kJ

c) 25 kJ

d) 100 kJ

Resolução:

Para responder ao exercício, é necessário perceber que um rendimento de 20% equivale a 0,2. Depois disso, basta fazer o cálculo a seguir:

Questão 3 — Uma máquina térmica apresenta uma potência de 2,5 kW e cada ciclo dessa máquina tem a duração de 0,1 s. O trabalho desenvolvido após 600 ciclos de operação será igual a:

a) 150 kJ.

b) 300 kJ.

c) 175 kJ.

d) 55 kJ.

Resolução:

Para resolver o exercício, basta usarmos a fórmula da potência, que relaciona o trabalho com o intervalo de tempo. Além disso, é preciso utilizar o tempo total de operação da máquina.