Máquinas térmicas

As máquinas térmicas foram cruciais para a Revolução Industrial e para a Física. Nesse post você verá o que elas são, como funcionam, como calcular e muito mais!

Máquinas teŕmicas são dispositivos que transformam a energia térmica em trabalho mecânico. Cada tipo de máquina possui suas características. Porém, todas elas necessitam de uma fonte de calor e uma uma substância que pode variar o volume. Nesse post você verá o que são, como funcionam, o rendimento e muito mais.

O que são as máquinas térmicas

Máquinas térmicas são dispositivos que convertem energia. Em específico esses aparelhos convertem o calor em energia mecânica. Para isso, elas devem operar em ciclos e os seus parâmetros devem retornar aos estados iniciais ao fim de cada ciclo.

Além disso, é importante ressaltar que nenhuma máquina térmica é perfeita. Isto é, nenhuma delas terá o rendimento igual a 100%. Isso acontece porque parte da energia térmica é dissipada em outras formas de energia. Ou seja, nem todo calor é convertido em trabalho.

Como funcionam as máquinas térmicas

Para que um dispositivo desses funcione existem alguns elementos necessários. Por exemplo, é preciso que haja uma fonte quente e uma substância de trabalho. Geralmente, essas substâncias costumam ser um gás ou um vapor que estão em expansão térmica.

Dessa maneira, o calor da fonte quente atua sobre o gás, o qual converte essa energia térmica em trabalho mecânico. Contudo, parte do calor é dissipada, geralmente essa parte é chamada de fonte fria.

Quanto maior for a diferença da fonte quente para a fonte fria, maior será o rendimento da máquina. Porém, a temperatura da fonte fria fica limitada à temperatura ambiente. Por conta disso, boa parte dos esforços para melhorar o rendimento das máquinas termodinâmicas está em aumentar a temperatura da fonte quente, dentro dos limites dos materiais.

O rendimento

O rendimento da máquina térmica nunca será 100%. Isso acontece por diversos motivos. Um deles está no fato que parte da energia é perdida para o ambiente. Além disso, esse fato está presente em um dos enunciados da segunda lei da Termodinâmica. Ou seja:

Não é possível que qualquer sistema, a certa temperatura, absorva calor de uma fonte e transforme-o integralmente em trabalho mecânico, sem que ocorram modificações nesse sistema ou em suas vizinhanças.

Esse é o enunciado de Kelvin. Dessa maneira, para calcular o rendimento de uma máquina térmica é possível usar a seguinte relação:

Em que:

  • η: rendimento
  • Qf: calor na fonte fria (J)
  • Qq: calor na fonte quente(J)

É importante ressaltar que o rendimento é uma grandeza adimensional. Ou seja, não possui unidade e medida. Dessa forma, ele sempre estará entre 0 e 1. Esse valor é referente à porcentagem de energia aproveitada pela máquina em questão.

Ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico ideal. Ou seja, é uma aproximação teórica cuja máquina possui rendimento total. Nesse caso, uma máquina de Carnot, funciona com duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas. Ou seja, uma expansão adiabática, uma expansão isotérmica, uma compressão adiabática e uma compressão isotérmica.

Ciclo de Carnot no diagrama de Clapeyron. Fonte: Wikimedia

Note que, neste caso, as condições finais e iniciais do ciclo termodinâmico são as mesmas. Isso significa que não há dissipação de energia no ciclo de Carnot.

Exemplos de máquinas térmicas

Esses dispositivos foram fundamentais para a consolidação do estilo de vida do ser humano moderno. Por isso, os exemplos desse tipo de máquina no cotidiano são vários. Veja cinco deles:

  • Motor a vapor: também são chamados de motor de combustão externa. Eles funcionam a partir da expansão de um gás colocado fora do motor. Por exemplo, o motor stirling.
  • Motor de combustão interna: costumam alimentar automóveis e motocicletas. Eles usam os gases provenientes da combustão de um fluido inflamável para movimentar o eixo do motor.
  • Refrigerador: o processo de refrigeração é um ciclo térmico. O gás passa por um processo de expansão e compressão dentro do sistema da geladeira.
  • Turbina: a turbina pode transformar vários tipos de energia em energia elétrica. Isso pode ser feito por meio da expansão de um gás, por exemplo.
  • Usinas nucleares: o calor gerado no processo de produção da energia nuclear é convertido em energia elétrica por meio de um ciclo termodinâmico

Como foi possível ver, as máquinas térmicas estão presentes em várias ocasiões da vida do ser humano moderno. Você consegue elencar mais algum exemplo presente em seu contexto social?

A importância das máquinas térmicas

Boa parte da importância desses dispositivos está no papel que eles desempenharam no desenvolvimento da sociedade contemporânea. Dessa forma, as máquinas a vapor foram um dos aparelhos que possibilitaram o acontecimento da Revolução Industrial. Esse fato mudou o mundo e a vida do ser humano de maneira radical.

Vantagens e desvantagens das máquinas térmicas

Assim como diversos aparelhos, as máquinas térmicas também têm vantagens e desvantagens. Por isso, confira cinco prós e cinco contras desse objeto fundamental para a vida contemporânea.

Vantagens

  • Aumento da produção;
  • Revolução nos meios de transporte;
  • Conservação de alimentos;
  • Climatização de ambientes;
  • Produção de energia elétrica.

Desvantagens

  • Diminuição da oferta de emprego;
  • Aumento da busca por mão de obra barata;
  • Poluição;
  • Uso de fontes energéticas não-renováveis;
  • Produção de resíduos nucleares.

Como é possível notar, esses dispositivos tiveram papel importante na consolidação do sistema econômico capitalista. Por isso, suas vantagens e desvantagens devem ser ponderadas a ponto de decidir o que é melhor para a vida contemporânea.

Vídeos sobre máquinas térmicas

Conhecer os aspectos teóricos e experimentais das máquinas é importante para a compreensão de um aparelho que ajudou a mudar o estilo de vida do ser humano. Por isso, nos vídeos selecionados você poderá aprofundar seus conhecimentos nesses dois aspectos. Confira!

Teoria sobre máquinas térmicas

O professor Marcelo Boaro explica os aspectos teóricos das máquinas térmicas. Para isso, o docente define o que é um motor térmico e um ciclo termodinâmico. Ao longo do vídeo, Boaro explica matematicamente do que se trata cada aspecto desse dispositivo. No final da aula, o professor resolve um exercício de aplicação.

Experimento sobre a segunda lei da Termodinâmica

O motor a vapor foi um dos motivos para que a Revolução Industrial acontecesse. Além disso, ele também auxiliou na consolidação da segunda lei da Termodinâmica. Por isso, os professores Cláudio Furukawa e Gil Marques realizam um experimento sobre esse tema. O aparato usado é comercial. Ou seja, foi comprado pronto e não é simples de ser reproduzido igualmente no vídeo.

Como fazer motor Stirling

Um bom exemplo de motor a vapor é o motor Stirling. Ele consiste em uma câmara com vapor que movimenta um eixo. Existem diversos modelos comerciais desse motor. Porém, não costumam ser de fácil acesso. Por isso, o canal Manual do Mundo, ensina como montar um motor a vapor usando materiais de baixo custo. Isso faz com que esse experimento possa ser reproduzido em feiras de Ciências.

As máquinas térmicas são dispositivos muito importantes para a história humana. Afinal, com seu desenvolvimento e compreensão foi possível que ocorresse uma Revolução Industrial. Além disso, o estudo desses aparelhos levou a um novo conceito físico que é a segunda lei da Termodinâmica.

Referências

Física 1II: Termodinâmica e ondas (2016) – Hugh D. Young et al.
Física: Volume 2 (2008) – David Halliday et al.
Curso de Física Básica: Volume 2 (2014) – Herch Moysés Nussenzveig.

Hugo Shigueo Tanaka
Por Hugo Shigueo Tanaka

Divulgador Científico e co-fundador do canal do YouTube Ciência em Si. Historiador da Ciência. Professor de Física e Matemática. Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM).

Como referenciar este conteúdo

Tanaka, Hugo Shigueo. Máquinas térmicas. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/fisica/maquinas-termicas. Acesso em: 19 de January de 2022.

Exercícios resolvidos

1. [Cefet-PR]

O 2° princípio da Termodinâmica pode ser enunciado da seguinte forma:”É impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.”Por extensão, esse princípio nos leva a concluir que:

a) sempre se pode construir máquinas térmicas cujo rendimento seja 100%;

b) qualquer máquina térmica necessita apenas de uma fonte quente;

c) calor e trabalho não são grandezas homogêneas;

d) qualquer máquina térmica retira calor de uma fonte quente e rejeita parte desse calor para uma fonte fria;

e) somente com uma fonte fria, mantida sempre a 0°C, seria possível a uma certa máquina térmica converter integralmente calor em trabalho.

Alternativa correta: D

Uma máquina térmica recebe calor de uma fonte quente, converte uma parte desse calor em trabalho e rejeita outra parte para uma fonte fria. O calor nunca é convertido completamente em trabalho.

2. [Enem]

No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece:

a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor

b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo

c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho

d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás

e) na carburação, com a difusão do combustível no ar

Alternativa correta: A

A energia obtida pelos motores de combustão interna vem da queima de combustíveis fósseis. Junto à combustão, há uma grande expansão do volume de gás no interior dos pistões, gerando movimento.

Compartilhe

TOPO