Máquinas Térmicas

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 algumas dessas máquinas e suas utilizações:

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:

máquinas térmicas a vapor
Imagem 1: Na imagem há um desenho esquemático de uma turbina a vapor. Vemos a direita 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.

turbina a vapor gráfico
Imagem 2: Gráfico que ilustra o funcionamento da turbina a vapor.

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:

motor a combustão
Imagem 3: Desenho esquemático de um motor a combustão. Nela vemos as seguintes partes assinaladas:

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.

Imagem 4: Esquema demonstrando o 1º tempo de um motor a 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.

Imagem 5: Esquema demonstrando o 2º tempo de um motor a combustão.

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.

Imagem 6: Esquema demonstrando o 3º tempo de um motor a combustão.

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.

Imagem 7: Esquema demonstrando o 4º tempo de um motor a combustão.

E o ciclo se repete enquanto o carro permanecer ligado. Logo abaixo você tem todos as etapas juntas.

ciclo motor a combustão
Imagem 8: Esquema demonstrando todos os tempos de um motor a combustão.

Agora você já sabe como funciona motor de um carro. Se tiver alguma dúvida, você pode assistir o vídeo no link abaixo, ele é muito claro e bem didático.

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.

geladeiras maquinas termicas
Imagem 9: Desenho esquemático das partes 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.

Para aprender mais sobre como funciona uma geladeira, veja o vídeo:

Questões

Questão 01 – (UFPR/2018) 

Em Termodinâmica, estudamos processos importantes que fazem parte de ciclos utilizados em máquinas térmicas, alguns dos quais de grande relevância tecnológica, além de científica. Com relação ao que ocorre com um gás ideal, identifique como verdadeiras (V) ou falsas (F) as seguintes afirmativas:

(   )   Em todo processo isovolumétrico, também chamado de isocórico, o trabalho realizado pelo gás é nulo.

(   )   Em todo processo adiabático, a energia interna do gás é constante.

(   )   Em todo processo isobárico, não há trocas de calor entre o gás e o meio externo.

(   )   Em todo processo isotérmico, a temperatura do gás aumenta quando há realização de trabalho sobre ele.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta, de cima para baixo.

a) V – V – V – V.

b) F – V – F – F.

c) F – V – F – V.

d) F – F – V – F.

e) V – F – F – F.

Gab: E

Questão 02 – (UNIFOR CE/2018)    

Hoje, aos olhos da ciência moderna, o dispositivo criado por Heron é uma máquina térmica, ou seja, ela é um dispositivo com capacidade de transformar o calor, energia térmica, em trabalho mecânico. No entanto, essa máquina criada não foi usada para produzir energia mecânica em grandes escalas. Foi somente no século XVIII que foram construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de produzir energia mecânica em escala industrial.

Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, avalie as afirmações a seguir.

I. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho.

II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por Clausius, afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo como é o caso do refrigerador.

III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente.

IV. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas.

É correto apenas o que se afirma em

a) I e II.

b) I e III.

c) II e IV.

d) III e IV.

e) I, II, III.

Gab: C

Questão 03 – (UNIFOR CE/2018)    

Praticamente todos os veículos automotivos são movidos por alguma versão de motor de combustão interna de quatro tempos, patenteado por Nikolaus Otto em 1876. O motor de quatro tempos é uma máquina com a função de transformar a energia de uma reação química em energia mecânica, comprimindo uma mistura de ar combustível que explode na presença de uma faísca criando uma fonte de calor intensa, mas transitória.

exercício de máquinas térmicas

À medida que aumenta a consciência sobre os impactos ambientais relacionados ao uso da energia, cresce a importância de se criar políticas de incentivo ao uso de combustíveis mais eficientes, o que vem sendo intensificado desde o final do século passado. Esta combustão de uma mistura ar-vapor de gasolina ainda é a reação mais utilizada para mover os veículos em todo mundo.

Com base nos aspectos envolvidos no funcionamento de motores de quatro tempos, analise as seguintes afirmações.

I. O motor de combustão interna de quatro tempos opera segundo o ciclo de Carnot, no qual um fluido de trabalho sofre duas transformações adiabáticas alternadas de duas transformações isotérmicas, proporcionando rendimento máximo igual a um.

II. O calor de combustão da reação que ocorre nos motores é fornecido pela faísca elétrica que provoca a explosão da mistura combustível.

III. A queima de combustíveis derivados do petróleo libera energia, que é proveniente da biomassa construída em processos energéticos e preservada ao longo do tempo geológico.

IV. O conteúdo energético dos reagentes é maior que o dos produtos nas reações que ocorrem nas câmaras de combustão dos motores.

É correto apenas o que se afirma em

a) I e II.

b) I e III.

c) III e IV.

d) I, II e IV.

e) II, III e IV.

Gab: C

Sobre o(a) autor(a):

Rodinei Pachani é mestre em Geofísica pela USP-SP, com licenciatura plena em matemática, possui pós-graduação em Gerência Financeira e especialização em Estatística Aplicada. Possui experiência de mais de 28 anos em sala de aula, tendo trabalhado com ensino médio, cursinhos e Faculdades. É autor do livro “Ciência ao alcance de todos” e possui um canal no YouTube onde realiza experimentos, explica conteúdos e resolve exercícios de física.