Ciclos térmicos – máquina de Stirling
Introdução:
A máquina de Stirling (Fig. 1) é uma máquina cíclica a ar quente, que
utilizaremos para investigar experimentalmente o ciclo de Stirling, e demonstrar
princípios de funcionamento que se aplicam à máquinas térmicas, refrigeradores e
bombas de calor.
A máquina de Stirling é utilizada neste experimento com um sistema de
aquecimento elétrico em sua base. Um cilindro de alumínio é utilizado para acumular
calor e funcionar como reservatório térmico. De acordo com a representação da figura
1 temos uma diferença de temperatura entre duas partes da máquina, uma com
temperatura maior (chamada de quente, ou Tq) e outra com temperatura menor
(chamada de fria ou Tf).
Em geral o propósito de uma máquina de Stirling é transformar calor em
movimento (giro de um volante), que pode ser atrelado a uma polia, ou transformar calor
em energia elétrica, acoplando-se a máquina a um gerador elétrico.
A máquina de Stirling é constituída por dois pistões: um pistão (Pt e Pd) que
converte o ar comprimido em trabalho mecânico, e um pistão de deslocamento (Pd)
que se desloca dentro de um cilindro com as duas extremidades à temperaturas TQ
(fonte quente, no caso de utilização como motor térmico) e TF (reservatório frio à
temperatura ambiente, no caso de utilização como máquina térmica). Os dois pistões
estão mecanicamente ligados por um sistema de excêntricos e bielas, de modo que se
deslocam em quadratura de fase (quando um pistão atinge uma extremidade, o outro
encontra-se na metade de seu deslocamento). O pistão de deslocamento desloca
ciclicamente o ar aquecido da extremidade à temperatura TQ para a extremidade à
temperatura TF, ou o ar frio da extremidade à temperatura TF para a extremidade à
temperatura TQ, onde é de novo aquecido. Este pistão funciona como um regenerador
de calor.
O esquema da Fig.1 ilustra o funcionamento dos dois cilindros durante um ciclo,
para a máquina trabalhar como motor térmico com o volante girando no sentido
horário. A partir dos processos a seguir descritos podemos traçar o diagrama “pressão-
volume”, p-V, correspondente (ver Fig. 2).
O primeiro esquema (I) da fig.1 mostra o momento em que o pistão de
deslocamento inicia seu movimento ascendente, após ter estado em contato com o
reservatório quente. Neste movimento o ar entre os dois pistões é arrefecido a um
volume essencialmente constante, levando a um aumento da pressão na câmara B. No
processo (II), o pistão de deslocamento ainda empurra o ar da extremidade quente para
a extremidade fria (compressão isotérmica), culminando na condição de pressão
máxima e volume mínimo do sistema. Nesta condição inicia-se a terceira parte do
ciclo (III), em que a pressão diminui por um processo quase isocórico (volume quase
constante). Por fim, ocorre o processo (IV), com uma expansão isotérmica do ar na
câmara B, com consequente redução da pressão e aumento do volume VB.
