O que são as máquinas térmicas? Como funciona uma turbina a vapor? Como funcionam os motores a combustão? Como funcionam as geladeiras? Revise as Máquinas térmicas nesta aula de Física para o Enem!
Nessa aula você irá rever o conceito de máquinas térmicas, o funcionamento de turbinas a vapor, de motores a combustão e geladeiras. Compreenderá a importância das várias partes que compõem cada máquina. Fique com a gente para mandar bem no Enem e nos vestibulares quando o assunto for máquinas térmicas!
Máquinas térmicas
As máquinas térmicas são artefatos que transformam energia térmica em energia mecânica. Existem inúmeras aplicações para as máquinas térmicas, desde as máquinas industriais até os meios de transporte.
A primeira máquina térmica utilizada foi a chamada máquina de Herón, criada por Herón de Alexandria no século I d.C. Essa máquina consistia em uma esfera oca com duas saídas de vapor. Essa esfera era abastecida por uma bacia de água fervente interligada a ela por tubos.
O vapor, que saia pelos furos da esfera, fazia com que a esfera girasse. A máquina não tinha utilidades práticas, porém foi utilizada por seu criador no estudo da pressão e inspirou as máquinas térmicas modernas.
Muitos séculos depois, em 1698, o inglês Thomas Savery criou uma máquina térmica que era utilizada para retirar água do interior de minas. Posteriormente essa máquina foi aperfeiçoada para elevar cargas.
Porém, as máquinas térmicas somente ganharam destaque no século 18. Neste período, o inglês James Watt criou máquinas altamente eficientes, que passaram a ser utilizadas industrialmente. Essas máquinas foram o impulso tecnológico para a Revolução industrial.
Desde então, as máquinas térmicas foram aperfeiçoadas e passaram a ser utilizadas nas mais diferentes frentes de trabalho. Veja a seguir um resumo sobre o princípio das Máquinas Térmicas, e algumas dessas máquinas e suas utilizações:
As Máquinas Térmicas:
Confira com o professor de física Antônio Martins, o “Tonho” do canal do Curso Enem Gratuito, os fundamentos das máquinas térmicas.
Turbina a vapor
A turbina a vapor é uma máquina que converte a energia química de um combustível em energia mecânica. Sendo que a água é a sua substância de operação.
A figura a seguir ilustra os principais componentes de uma turbina desse tipo. Veja no lado direito uma caldeira, onde a água é fervida a partir do aquecimento gerado pela queima de um combustível. O vapor que sai dela gira uma turbina, ligada a um gerador.
O vapor é então captado por tubulações que passam por dentro de um condensador. O condensador torna o vapor de água líquido novamente e o devolve para a caldeira.
Etapas do funcionamento de uma turbina a vapor:
1 – Caldeira: A caldeira é o local onde proporciona a entrada de calor no sistema. A água líquida é aquecida e transformada em vapor a alta pressão. Tem-se então um aumento de volume numa pressão constante.
2 – Turbina: É o local que recebe a água na forma de vapor e em alta pressão, atingindo um conjunto de hélices provocando sua rotação.
Parte do calor se transforma em trabalho para movimentar as hélices girando o eixo da turbina. Em consequência disso ocorre a diminuição da pressão e da temperatura do vapor.
A geração de energia elétrica ocorre em um gerador que fica atrelado ao eixo da turbina (veja o desenho) cujo princípio está relacionado ao eletromagnetismo o qual você verá no post específico.
3 – Condensador: O condensador é constituído por uma serpentina metálica imersa em água. O condensador é a fonte fria do sistema. Sua função é condensar vapor. A temperatura da água em torno da serpentina deve estar próxima de 100oC, para que não haja grande variação de temperatura da substância, pois em seguida, ela será novamente transformada em vapor.
Se após a condensação a substância de operação for resfriada, haverá perda de calor latente e de calor sensível.
Essa perda de energia deverá ser reposta na Caldeira. Por isso será necessário gastar mais energia na Caldeira para aquecer novamente a água até o ponto de sua fervura (gasto de calor sensível). E, depois consumir outra parcela de energia para mudar seu estado (gasto de calor latente).
No condensador teremos uma redução de volume da água a uma pressão constante.
4 – Bomba: A substância de operação na forma líquida é comprimida e bombeada para Caldeira. Com isso tem-se o aumento da pressão até que esta se iguale a pressão no interior da caldeira.
Todas as etapas são expressas graficamente por meio no diagrama pressão e volume em seguida.
Esse gráfico é muito importante e ajuda você a entender o texto. Por exemplo, no condensador observamos que a pressão é constante e verificamos também que o volume diminui. Basta seguir a orientação do sentido das flechas.
Motores a combustão
Os motores a vapor foram usados mais frequentemente até o início do século XX. A partir desse período, passaram a ser gradativamente substituídos por motores cujas substâncias de operação eram os combustíveis derivados do petróleo.
Os motores a combustão são menores e mais eficazes se comparados aos motores a vapor. Essas vantagens possibilitaram a fabricação de veículos de transportes mais leves, velozes e eficientes, como os carros e os caminhões atuais.
Os principais exemplos de motores a combustão são os utilizados em veículos automotores. A produção de movimento nesses motores começa pela queima de combustível em seu interior.
Abaixo você tem um esquema de um motor a combustão de um carro com um corte transversal e as partes envolvidas numeradas:
1 – Válvula de admissão
2 – Câmara de combustão
3 – Pistão
4 – Virabrequim
5 – Vela de ignição
6 – Válvula de escape
Os motores de veículos mais comuns usam uma disposição mecânica formada por quatro etapas e são chamados de motores de quatro tempos. Cada tempo corresponde a uma etapa do ciclo completo, composto de: admissão, compressão, combustão e escape.
Vamos ver cada um desses tempos?
1o Tempo: Admissão: Com a válvula de admissão aberta, o pistão desce dentro do cilindro, devido ao giro do virabrequim, e a mistura de ar e vapor de combustível é injetada.
A uma pressão aproximadamente constante essa mistura sofre expansão, ocupando o maior volume disponível na câmara de combustão.
2o Tempo: Compressão: A válvula de admissão é fechada; o pistão sobre e comprime a mistura de ar e combustível que ficou presa na câmara de combustão, provocando o aumento da pressão e da temperatura.
Como o movimento do pistão é rápido, não há troca de calor com o meio e, portanto, temos uma transformação adiabática.
3o Tempo: Explosão: Uma faísca produzida por um dispositivo elétrico (vela de ignição) dá início à combustão da mistura comprimida, aumentando a pressão e a temperatura.
Com isso os gases quentes se expandem rapidamente e empurram o pistão para baixo, diminuindo a pressão e a temperatura e aumentando o volume.
Como a combustão ocorre rapidamente, aqui também temos uma transformação adiabática.
4o Tempo: escape: Quando o pistão volta a descer, a válvula de escape é aberta e a pressão diminui rapidamente, igualando-se a pressão de fora.
Com a válvula de escape aberta, o pistão sobe novamente e os gases provenientes da combustão são ejetados, diminuindo o volume.
E o ciclo se repete enquanto o carro permanecer ligado. Logo abaixo você tem todos as etapas juntas.
Geladeiras
As geladeiras são exemplos de máquinas refrigeradoras. Elas são máquinas térmicas operando no sentido inverso, retirar o calor de uma fonte fria e transmiti-lo a uma fonte quente. Para tanto, realiza-se um processo não espontâneo de transmissão de calor por meio de um material que realiza trabalho entre uma fonte fria e uma quente.
As geladeiras retiram o calor de dentro que está frio e, entregam ao ambiente externo, que está mais quente.
Isso é possível porque existe um fluido que circula por um sistema fechado de canos de metal conectados a um motor elétrico.
Nas geladeiras antigas o gás utilizado era o R12 e nas atuais passou-se a usar o MP39. Esse fluido tem as seguintes características: alto calor latente, baixa temperatura de ebulição (fácil de vaporizar com pouco calor), não ser explosivo, não ser corrosivo e ser inodoro.
Abaixo você tem as partes principais do funcionamento de uma geladeira.
Para você entender melhor como funciona a geladeira, veja a seguir as quatro etapas do funcionamento da geladeira:
Etapa 1 – MOTOR COMPRESSOR – O motor elétrico rapidamente comprime o fluido no estado gasoso, aumentando a temperatura e a pressão. Há um trabalho realizado sobre o fluido nesse momento, ou seja, é fornecida energia externa ao sistema a qual veio da transformação da energia elétrica em trabalho para comprimir o gás.
Etapa 2 – CONDENSADOR – O fato de ter seu volume diminuído pelo compressor do motor faz com que o fluido adquira alta pressão e alta temperatura. Ele passa, então, pelo condensador, formado por uma serpentina metálica, que tem esse formato para aumentar a superfície de troca de calor com o ambiente.
Na parte de trás da geladeira está o radiador, em geral ele tem, cor escura para favorecer a troca de calor com o ambiente.
Após o fluido quente passar pelo radiador e ceder calor para o ambiente, ele se torna líquido, e seu volume e temperatura diminuem e pressão permanece constante.
Etapa 3 – TUBO CAPILAR E EVAPORADOR – O fluido agora líquido, passa por um tubo muito fino chegando ao evaporador que é uma serpentina que fica no congelador. Essa serpentina tem volume muito maior do que aquele por onde ele veio, provocando dessa forma, uma diminuição considerável da pressão nele, o suficiente para evaporar.
E, ao evaporar, o fluido retira calor da parte interna da geladeira, resfriando-a.
Etapa 4 – EVAPORADOR E COMPRESSOR – Após ser evaporado, o fluido, a baixa temperatura e baixa pressão, é aspirado de volta ao compressor, onde será novamente comprimido, o que ocasionará o seu aquecimento a uma temperatura superior à do ambiente externo.
Videoaula sobre a Lei da Termodinâmica
Veja com o professor Márcio Rossetto, do canal do Curso Enem Gratuito os fundamentos da Primeira Lei da Termodinâmmica:
Exercícios sobre máquinas térmicas
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1. Pergunta
(ENEM/2017)
Rudolf Diesel patenteou um motor a combustão interna de elevada eficiência, cujo ciclo está esquematizado no diagrama pressão x volume. O ciclo Diesel é composto por quatro etapas, duas das quais são transformações adiabáticas. O motor de Diesel é caracterizado pela compressão de ar apenas, com a injeção do combustível no final.
No ciclo Diesel, o calor é absorvido em:
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2. Pergunta
(UECE/2015)
Em um motor de carro convencional a primeira transformação de energia em trabalho ocorre dentro do cilindro que aloja o pistão. De modo simplificado, pode-se entender esse sistema como um cilindro fechado contendo um êmbolo móvel, que é o pistão. Em um dado instante a mistura ar e combustível sofre combustão forçando os gases resultantes dessa queima a sofrerem expansão, movimentando o pistão ao longo do eixo do cilindro. É correto afirmar que a energia térmica contida nos gases imediatamente após a combustão é
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3. Pergunta
(ENEM/2014)
A elevação da temperatura das águas de rios, lagos e mares diminui a solubilidade do oxigênio, pondo em risco as diversas formas de vida aquática que dependem desse gás. Se essa elevação de temperatura acontece por meios artificiais, dizemos que existe poluição térmica. As usinas nucleares, pela própria natureza do processo de geração de energia, podem causar esse tipo de poluição.
Que parte do ciclo de geração de energia das usinas nucleares está associada a esse tipo de poluição?
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4. Pergunta
(ENEM/2012)
A usina termelétrica a carvão é um dos tipos de unidades geradoras de energia elétrica no Brasil. Essas usinas transformam a energia contida no combustível (carvão mineral) em energia elétrica.
Em que sequência ocorrem os processos para realizar essa transformação?
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5. Pergunta
(UNICAMP SP/2016)
Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível.
Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido.
I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por […]
II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por […].
III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por [….].Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são:
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6. Pergunta
(UDESC/2016)
Analise as proposições em relação às informações sobre os motores a combustão, usados em automóveis.
I. Automóveis mais potentes conseguem transformar a maior parte da energia fornecida pelo combustível em trabalho.
II. O rendimento máximo de um motor a gasolina está próximo de 30%, mesmo reduzindo as perdas de energia em seu interior – independentemente do fabricante e do modelo do carro.
III. O trabalho externo necessário para comprimir a substância de operação nos pistões deve ser maior que o trabalho resultante da expansão dessa substância.
IV. É possível reaproveitar a maior parte do calor transferido para a fonte fria para gerar trabalho.
V. Ao produzir um movimento ordenado, há um aumento da entropia do ambiente ao redor do automóvel.Assinale a alternativa correta.
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7. Pergunta
(UECE/2016)
O processo de expansão ou compressão de um gás em um curto intervalo de tempo pode representar um processo termodinâmico que se aproxima de um processo adiabático. Como exemplo, pode-se mencionar a expansão de gases de combustão em um cilindro de motor de automóvel em alta rotação. É correto afirmar que, em um processo adiabático no sistema,
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8. Pergunta
(IFSP/2016)
Observando um refrigerador, a geladeira comum de sua casa, um aluno escreveu as seguintes afirmações:
I. A energia na forma de calor que sai dos alimentos chega ao congelador pelo processo de convecção na maior proporção e muito pouco por radiação.
II. O congelador está situado na parte superior para receber o ar aquecido pelo calor dos alimentos.
III. As camadas que formam as paredes da geladeira são intercaladas por material isolante para evitar a entrada de calor por condução.
IV. Os espaços internos são divididos por grades vazadas que facilitam o movimento por convecção das massas do ar quente e frio.As afirmativas corretas são:
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9. Pergunta
(UCS RS/2013)
Os motores a combustão, como o dos automóveis movidos a gasolina ou a álcool, são classificados como máquinas térmicas que, operando em ciclos, entre fontes de calor quentes e frias, e recebendo e liberando fluídos operantes, produzem trabalho. Suponha um motor a combustão hipotético que possua um gás ideal como fluído operante e que nunca o troque. As transformações de estado desse gás ideal, durante um ciclo de operação do motor, estão representadas no gráfico pressão X Volume abaixo. Conclui-se que o gás ideal
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10. Pergunta
(ENEM/2016)
Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas, cujos exemplos são as máquinas a vapor e os atuais motores a combustão, poderiam ter um funcionamento ideal. Sadi Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica, funcionando em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria), obter 100% de rendimento.
Tal limitação ocorre porque essas máquinas
