Máquinas térmicas-2ª lei da termodinâmica

O que é uma máquina térmica

Uma máquina térmica, é toda máquina que transforma calor em trabalho.

Apesar de somente no Séc XIX os cientistas associaram o calor como forma de energia, desde a antiguidade sabia-se que o calor podia ser usado para fazer vapor, o qual era capaz de realizar um trabalho mecânico. Essa ideia foi usada pelo inventor grego Heron, que construiu um dispositivo (figura abaixo), que se movimenta devido à força que o vapor a alta pressão faz ao sair pelos seus orifícios laterais. Entretanto, essa máquina não teve aplicações práticas, e somente no século XVIII seriam construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de realizar trabalho em escala indústrial.

A máquina de Watt

As primeiras máquinas térmicas, inventadas no século XVIII, além de precárias, tinham baixo rendimento, ou seja, consumiam muito pra produzir pouco.

Por volta de 1770, o inventor escocês James Watt, com enormes vantagens, em comparação às outras máquinas existentes. A figura abaixo mostra, de maneira simplificada, a máquina de Watt.

Nesta máquina, o vapor se condensa, gerando uma queda de pressão no interior do cilindro e fazendo com que a válvula volte à posição original. A válvula B é fechada, enquanto a A é aberta, permitindo nova admissão de vapor ao cilindro, repetindo-se o ciclo. Dessa maneira, a roda acoplada ao pistão se mantém em constante rotação.

Esta máquina foi inicialmente empregada para movimentar moinhos e acionar bombas que tiravam água de minas subterrâneas, foi usada posteriormente em locomotivas e máquinas a vapor, e muito usada em fábricas, para acionar os mais diversos dispositivos industriais, causando grande desenvolvimento nessa área. Por isso, ela é considerada um dos fatores que contribuiu para a revolução industrial.

Locomotivas a vapor-turbina a vapor-motor a explosão

A máquina de Watt deu origem a novos modelos, mais aperfeiçoados. Dentre eles, destaca-se aquele usado à muitos anos em locomotivas a vapor.

Na figura: o funcionamento de uma locomotiva a vapor.

Esses modelos de máquinas a vapor, são, atualmente, pouco utilizados. A energia térmica do vapor, continua, no entanto, sendo utilizado em larga escala, nas centrais termelétricas, nas chamadas turbinas a vapor.

Na imagem: funcionamento de uma turbina a vapor.

O princípio básico de funcionamento dessas máquinas é muito mais simples que o da máquina de Watt: um jato de vapor, a altíssima temperatura, é lançado contra um conjunto de lâminas presas a um rotor, colocando a turbina em rotação.

Motor a explosão

No decorrer do século XX, foram inventados vários outros tipos de máquinas térmicas, destacando-se os motores de explosão, as turbinas a vapor, os motores a jato, etc.

Os motores de explosão a gasolina se tornaram muito populares devido ao seu uso em automóveis.

Na imagem: um motor de automóvel com 4 cilindros.

Na imagem abaixo, mostramos um esquema do motor de explosão de 4 tempos, assim denominado pois seu funcionamento se dá em quatro etapas, as quais descrevemos a seguir:

O cilindro possui uma válvula de admissão (A), uma de escapamento (B) e uma vela (V), que é um dispositivo destinado a produzir uma faísca, que provoca a explosão. A mistura explosiva, constituída de gasolina e ar, formada no carburador, chega a câmara de explosão (C), através da válvula A, que é controlada por um sistema de alavancas.

• No 1º tempo a válvula A se abre, permitindo a entrada da mistura, enquanto o pistão desse o cilindro. Também chamada de: Admissão.
• No 2º tempo, a mistura é comprimida na câmara C, (o pistão sobe), e sua temperatura sobe. (As válvulas A e B ficam fechadas). Também chamada de: Compressão.
• No 3º tempo, a vela V produz uma centelha (ou faísca) elétrica, causando a ignição da mistura explosiva. Os gases quentes em alta pressão fazem o pistão descer fazendo um movimento de rotação na roda que está acoplada a ele. Também chamada de: Explosão e expansão.
• No 4º tempo, a válvula B se abre, permitindo o escape dos gases, enquanto o pistão sobe no cilindro. Também chamada de: Exaustão ou escapamento.

Depois disso, há uma nova descida no pistão, e a válvula A se abre, iniciando um novo ciclo.

Rendimento de uma máquina térmica

Uma coisa em comum das máquinas térmicas é que elas operam em ciclo, isto é, retornam periodicamente as condições iniciais, e o funcionamento delas podem ser representados pela figura abaixo:

Ou seja, a máquina usa uma parte do calor para fazer trabalho, e rejeita parte dele para a fonte fria.

Denomina-se rendimento, R, de uma máquina térmica a relação entre o trabalho (T), e o calor (QQ), absorvido durante o ciclo:

R=T/Qq

Logo, o rendimento de uma máquina térmica será diretamente proporcional ao calor que ela realiza, sobre a quantidade de calor absorvido. Assim, se o rendimento de uma máquina for R=0,50(ou R=50%), isso significa que essa máquina transforma metade da energia que ela absorveu em trabalho.

Na figura acima, vemos que QQ=T-Qf, ou T=Qq-Qf, então podemos expressar o rendimento de uma máquina térmica da seguinte maneira:

R=T/Qq=(Qq-Qf)/Qq, ou R=1-Qf/Qq