Máquinas térmicas: o que são, como funcionam e exemplos

As máquinas térmicas são dispositivos capazes de transformar energia térmica em energia mecânica, ou seja, são capazes de realizar trabalho (W) a partir do calor.

Para que isso aconteça, a máquina deve operar em ciclos e atuar entre duas fontes de calor com temperaturas diferentes:

1. Fonte Quente: De onde a máquina retira o calor para realizar o trabalho (Q_quente).
2. Fonte Fria: Para onde a máquina rejeita a energia que não foi transformada em trabalho (Q_frio).

A figura abaixo mostra um esquema simplificado de uma máquina térmica:

Neste conteúdo você vai encontrar:

• Rendimento de uma máquina térmica
• Ciclo de Carnot e a máquina térmica ideal
• Tipos e funcionamento de máquinas térmicas
• Otto vs. Diesel: os motores do cotidiano
• Exemplos de máquinas térmicas no dia a dia
• Mapa mental
• Exercícios

Rendimento de uma máquina térmica

As máquinas térmicas são caracterizadas por seu rendimento (), definido como a razão entre o trabalho útil que ela realiza (W) e a energia total que ela recebe da fonte quente (Q_quente). Sua fórmula é:

Onde:

• η: Rendimento da máquina térmica expresso em %, compreendido entre 0 e 1
• W: Trabalho realizado ou energia útil da máquina
• Q_quente: Calor recebido da fonte quente
• Q_frio: Calor dissipado ou rejeitado, correspondendo ao calor perdido pela máquina visto que não foi usado para gerar trabalho

A Segunda Lei da Termodinâmica diz que as transferências de calor ocorrem sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio, e que isso acontece de forma espontânea, mas o contrário não. Isso significa dizer que os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis.

Ela ainda acrescenta que não é possível que o calor se converta integralmente em outra forma de energia, ou seja, que é impossível converter todo o calor em trabalho. Parte da energia sempre será perdida e, no final do processo, será transferida para uma fonte fria.

Se o rendimento fosse 100%, a máquina não precisaria de uma fonte fria, o que violaria o fluxo natural da entropia no universo.

Ciclo de Carnot e a máquina térmica ideal

Em 1824, Nicolas Sadi Carnot propôs uma máquina teórica que operaria com o máximo rendimento possível entre duas temperaturas.

O Ciclo de Carnot é composto basicamente de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, como mostra o esquema abaixo:

A máquina de Carnot vale para um gás ideal, ausência total de atrito e segue a sequência de transformações do ciclo de Carnot mostrado acima.

A máquina de Carnot opera com o máximo rendimento possível entre duas temperaturas, uma quente e uma fria.

Seu rendimento é dado por:

Onde as temperaturas são dadas em Kelvin. Não se esqueça que a transformação de graus Celsius para Kelvin é feita somando-se 237, ou seja: K = ^oC + 273

Atente que mesmo a Máquina de Carnot não possui rendimento 100%, mostrando que a "perda" de calor é uma restrição da própria natureza, e não uma falha de engenharia.

A máquina de Carnot e seu rendimento são usados para determinar o rendimento máximo das máquinas reais.

Tipos e funcionamento de máquinas térmicas

Motores térmicos

Nos motores térmicos o fluxo de calor ocorre naturalmente da fonte quente para a fonte fria, e a máquina "aproveita" esse fluxo para realizar trabalho.

A realização de trabalho se dá quando a fonte quente faz com que um gás - ou outra substância como óleo ou combustível, por exemplo - passe de um estado inicial de baixa temperatura para um estado final de alta temperatura pelo fornecimento de calor (etapa 1 do esquema abaixo).

Nesse processo, o gás sofre uma expansão no interior da máquina térmica e aciona o sistema mecânico acoplado, um pistão ou um rotor, e o coloca em movimento (etapa 2 do esquema abaixo).

Durante esse processo, o gás realiza trabalho e perde calor para a fonte mais fria (etapa 3 do esquema abaixo). Assim, ele sofre uma contração e volta ao ponto inicial do ciclo (etapa 4 do esquema abaixo).

Refrigeradores

O refrigerador também é chamado de Máquina Térmica Inversa, pois seu objetivo é retirar calor de onde já está frio e transferi-lo para onde está mais quente.

Como isso é contra o fluxo natural do calor o sistema gasta energia, ou seja, consome trabalho usando eletricidade para realizar essa tarefa.

As máquinas térmicas inversas utilizam um gás, normalmente o hidrofluorocarboneto, para resfriar o ar, seja do interior de uma geladeira, seja de um ambiente como uma sala ou um quarto.

O resfriamento baseia-se nas trocas de calor realizadas nos processos de condução e de convecção.

Funcionamento da geladeira

O esquema abaixo mostra o processo de resfriamento de uma geladeira resumido em quatro etapas principais.

Etapa 1 - o ciclo se inicia com o gás percorrendo uma serpentina que fica na parte externa traseira da geladeira. Nesta etapa o gás fica na temperatura ambiente.

Etapa 2 - nesta etapa do ciclo, o gás passa por um pequeno capilar e chega a uma tubulação de volume bem maior. Essa expansão volumétrica diminui tanto a pressão do gás quanto sua temperatura, deixando a tubulação gelada.

Etapa 3 - o gás agora passa por uma outra serpentina, agora interna e localizada na parte superior do refrigerador. É nesta etapa que a geladeira começa a gelar, pois o ar troca calor com a serpentina por condução e fica mais denso que o resto do ar da geladeira. Esse ar mais denso desce, enquanto o ar quente e menos denso sobe no processo de convecção, que faz com que o ar quente entre em contato com a serpentina e resfrie.

Etapa 4 - é nesta etapa que o sistema recebe trabalho, pois o processo vai contra o movimento normal do calor. Nela, um motor elétrico é utilizado para comprimir o gás e fazer com que ele volte para a tubulação externa com uma pressão muito maior. Ao aumentar a pressão do gás, sua temperatura também aumenta. Assim, o gás fica mais quente do que quando estava dentro da serpentina interna e mais quente até do que o ambiente externo. Isso permite que o gás perca calor para o meio e recomece o ciclo.

Otto vs. Diesel: os motores do cotidiano

Os motores de combustão interna dominam nosso transporte e funcionam em ciclos distintos:

Ciclo Otto

O Ciclo Otto é usado nos motores que funcionam à gasolina, etanol ou GNV (o gás natural veicular):

Resumidamente, temos que uma mistura ar-combustível é comprimida e uma explosão é provocada por uma centelha elétrica produzida por uma vela. Podemos dizer, então, que é um ciclo de ignição por centelha.

O ciclo é composto por duas transformações adiabáticas (compressão e expansão) e duas transformações isocóricas (volume constante - absorção e rejeição de calor). Observe no esquema abaixo:

Ciclo Diesel

O Ciclo Diesel é similar ao Ciclo Otto, mas a absorção de calor ocorre sob pressão constante (isobárica) em vez de volume constante. Além disso, ele não usa vela de ignição.

O ar é fortemente comprimido o que eleva muito sua temperatura. Após isso, o combustível é injetado e queima espontaneamente pelo calor gerado pela compressão.

O Ciclo Diesel geralmente é mais eficiente que o Otto, mas tem a desvantagem de os motores serem mais pesados.

Abaixo mostramos um esquema da sequência das transformações do Ciclo Diesel:

Exemplos de máquinas térmicas no dia a dia

As máquinas térmicas foram o motor que impulsionou a revolução industrial, e desde então elas têm sido amplamente usadas.

Abaixo listamos algumas delas, com um resumo de seus funcionamentos:

1. Locomotiva a Vapor: a queima do carvão ferve a água, o vapor produzido se expande e empurra os pistões em um processo contínuo e cíclico.
2. Motor de Carro: a queima do combustível expande os gases que empurram os pistões, gerando movimento nas rodas.
3. Usinas Termelétricas: essas usinas usam combustíveis fósseis ou usam calor gerados em reações nucleares para gerar vapor em alta pressão. O vapor gira turbinas e assim produz eletricidade.
4. Geladeira: como explicado acima, ela usa um compressor para realizar trabalho e forçar o calor a sair do interior (fonte fria) para o ambiente da cozinha (fonte quente).

Mapa mental

Resumimos os principais pontos das máquinas térmicas no seguinte mapa mental:

Exercícios

Questão 1

Uma máquina térmica recebe 2000 J de calor da fonte quente e realiza um trabalho de 600 J. Qual é o rendimento dessa máquina e quanto calor ela transfere para a fonte fria?

Questão 2

Uma máquina de Carnot opera entre uma fonte quente a 127 °C e uma fonte fria a 27 °C. Qual é seu rendimento máximo?

Questão 3

Por que uma geladeira, ao esfriar os alimentos, acaba aquecendo a cozinha onde está instalada?

Para praticar mais: Exercícios sobre máquinas térmicas (para o ENEM e vestibulares)