Máquinas Térmicas: O Que São?

Quando falamos em máquinas térmicas é imprescindível lembrar seu conteúdo histórico. No período da Revolução Industrial, muitas áreas da Ciência foram estudadas para que os lucros da burguesia fossem cada vez maiores e que as máquinas trabalhando gastassem menos do que salários de mais funcionários.

No século XVIII, o grande passo da Física era entender os fluidos e como eles se comportavam em determinadas situações. Você deve se lembrar de características como: se aumentamos a temperatura de um corpo, o volume deste também aumenta quando a pressão é constante; que a pressão diminui se aumentarmos o volume quando a temperatura é constante e outras mais que você deve ir lembrando.

Cientistas pioneiros em estudos de Termodinâmica tornaram possível que as tecnologias evoluíssem até hoje: Nicolas L. Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs.

2ª Lei da termodinâmica

O calor flui, naturalmente, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Esse processo é chamado de processo espontâneo. Também é possível fazer com que o calor flua do corpo de menor temperatura para o de maior temperatura, porém não é um processo espontâneo (ar condicionado, por exemplo).

Rendimento

Por menor que seja, todos os processos sofrem perda de energia (por atrito, por calor dissipado, etc). Isso faz com que os processos não sejam reversíveis, ou seja, não é possível voltar à situação inicial devido à perda de energia. O resultado disso é que o rendimento é sempre inferior a 100%.

Máquinas térmicas

Todos os dispositivos com a capacidade de transformar energia térmica em trabalho são considerados máquinas térmicas.

As máquina térmicas funciona da seguinte maneira: damos calor para a máquina, ela nos dá trabalho e rejeita calor. Como ela não é capaz de armazenar nada, toda energia que entra é igual a energia que sai dela.

Entra o calor Q1 e sai o trabalho W e o calor Q2.

Logo:

Um exemplo muito interessante sobre as máquinas térmicas é o motor dos carros. O que acontece dentro de um motor de carro? Veja a imagem a seguir:

Motor de carro funcionando

1- O combustível é colocado dentro de um tubo.

2- O líquido preenche o pistão, que pressiona o líquido novamente contra um gatilho.

3- Um dispositivo (gatilho) faz explodir o combustível, pressionado novamente o pistão para baixo.

4- Os gases resultantes dessa explosão são expulsos do cilindro para que ocorra novamente o ciclo.

Cálculo do rendimento

O rendimento é a porcentagem de aproveitamento de uma máquina térmica. O aproveitamento de uma máquina térmica é a relação entre a energia útil (ou o quanto ela consegue exercer de trabalho W) e a energia total (ou o quanto de calor tem que ser cedido para a máquina).

sabendo que:

podemos substituir e achar:

Ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é o modo de calcular o rendimento máximo atingível pela máquina térmica. Apesar de ser inatingível, é um bom método para avaliar se é viável ou não construir tal máquina térmica.

O ciclo é composto por 2 adiabáticas (A para B e C para D) e 2 isotérmicas (B para C e D para A).

Ciclo de Carnot

O rendimento de uma máquina de Carnot é dado pela relação:

OBS.: A temperatura deve estar sempre em Kelvin (K).

IMPORTANTE: De todas as usinas térmicas, a que mais polui mais é a Termelétrica (que é uma máquina térmica).

Exercícios

1. (UFRS) A cada ciclo, uma máquina térmica extrai 45 kJ de calor da sua fonte quente e descarrega 36 kJ de calor na sua fonte fria. O rendimento máximo que essa máquina pode ter é de:

a) 20%

b) 25%

c) 75%

d) 80%

e) 100%

2. (UFC-CE) A eficiência de uma máquina de Carnot que opera entre a fonte de temperatura alta (T1) e a fonte de temperatura baixa (T2) é dada pela expressão η = 1 – (T2/T1), em que T1 e T2 são medidas na escala absoluta ou de Kelvin. Suponha que você dispõe de uma máquina dessas com uma eficiência η = 30%. Se você dobrar o valor da temperatura da fonte quente, a eficiência da máquina passará a ser igual a:

a) 40%

b) 45%

c) 50%

d) 60%

e) 65%

3. (ENEM) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar.

Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma.

CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado).

De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a:

a) liberação de calor dentro do motor ser impossível.

b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável.

c) conversão integral de calor em trabalho ser impossível.

d) transformação de energia térmica em cinética ser impossível.

e) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

Gabarito

1. A
2. E
3. C

Agora que você já sabe o que são as máquinas térmicas e realizou os exercícios vai se sair muito melhor nas provas e vestibulares. Continue acompanhando o blog do Descomplica!