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Máquinas térmicas
(definição e classificação)
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Reconhecer a importância das máquinas térmicas e as circunstâncias de seu surgimento. Analisar a classificação das máquinas térmicas e suas definições. Identificar como ocorre a transformação de calor em trabalho por meio das máquinas térmicas.
Introdução
A aplicação de máquinas térmicas teve início no século XVIII e estava focada principalmente no desenvolvimento de meios para a propulsão de máquinas. Com a Revolução Industrial, as máquinas térmicas foram incorporadas ao processo produtivo, aumentando a capacidade de pro- dução. A partir desse fato, houve uma abrangência em sua utilização e, atualmente, são empregadas em diversas áreas, como meios de trans- porte, processos fabris, máquinas industriais e conversão de energia. Com o aumento da diversidade de sua utilização, surgiu a necessidade do desenvolvimento das áreas de metalurgia, materiais e processos de fabricação, considerando, principalmente, a sua aplicação e eficiência energética. Assim, as máquinas térmicas estão presentes em diversas áreas tecnológicas, tornando-se necessário o seu entendimento. Neste capítulo, você vai estudar o surgimento e a importância das máquinas térmicas, aprender sua classificação e definições e entender como ocorre a transformação de calor em trabalho por meio das má- quinas térmicas.
Surgimento e importância das máquinas
térmicas
O primeiro registro histórico deve-se a um matemático e mecânico grego chamado Heron de Alexandria no século I. Ele desenvolveu a primeira turbina, denominada Eolípila. Contudo, convém destacar que Heron desenvolveu o conceito primário da máquina térmica: a pressão do vapor sobre os corpos. Essa máquina consistia em uma esfera com dois tubos abertos. A esfera era preenchida com água e, quando aquecida, girava a certa velocidade, de maneira que a pressão era expelida pelos tubos. A Figura 1 traz o modelo dessa máquina.
Figura 1. Primeira turbina desenvolvida por Heron de Alexandria. Fonte: Morphart Creation/Shutterstock.com.
2 Máquinas térmicas (definição e classificação)
A aplicação de uma máquina térmica surge com o projeto a vapor de Cugnot Trolley em 1769. Essa máquina tinha como finalidade o transporte de canhões de artilharia do exército francês, sem a utilização de tração animal. O modelo dessa máquina é apresentado na Figura 2.
Figura 2. Representação da máquina térmica de Cugnot Trolley. Fonte: Bockhaus (2018).
Esse projeto consistia em uma caldeira a vapor que abastecia um motor de combustão interna, e sua direção era uma manivela. Essa máquina tinha a capacidade de tracionar até quatro toneladas com uma velocidade máxima de 4 km/h. James Watt teve participação fundamental no desenvolvimento das má- quinas térmicas. Em 1763, atuando na Universidade de Glasgow, foi chamado para reparar uma máquina de Newcomen. Durante a avaliação diagnóstica, notou que havia grande perda no sistema de arrefecimento da máquina. Após a implementação de uma câmara de condensação, houve um acréscimo de 75% em seu rendimento. A partir disso, James Watt desenvolveu diversos mecanismos que impulsionaram a utilização das máquinas a vapor. Em 1775,
um conjunto cilindro-pistão foi utilizado no bombeamento de água na área urbana. Seu projeto é apresentado na Figura 3. Em 1824, foram produzidos 1.124 equipamentos, consolidando a utilização das máquinas térmicas no processo produtivo.
Figura 3. Conjunto cilindro-pistão com câmara de condensação. Fonte: Adaptada de WATT’S Engine (2018).
Entrada
do vapor
Pistão
Cilindro
Condensador
Desde então, o desenvolvimento e a utilização de máquinas térmicas cres- ceu em larga escala, com aplicação nas mais diversas áreas. Citando alguns exemplos de aplicação temos automóveis, aviões, geradores termoelétricos e caldeiras.
Definições e classificação das máquinas térmicas
Primeiramente, temos que entender o que é uma máquina térmica. A máquina térmica é um dispositivo capaz de transformar energia térmica em energia mecânica. Também podemos dizer que ela transforma calor em trabalho. Para um melhor entendimento, na Figura 4 temos um modelo de máquina térmica.
Classificação quanto ao trabalho: ■ (^) Máquinas térmicas motrizes — Transformam energia térmica em trabalho mecânico. Têm como função acionar outras máquinas. ■ (^) Máquinas térmicas geratrizes — Recebem o trabalho mecânico e transformam em energia térmica. Seu funcionamento só é possível quando acionadas por outras máquinas. Classificação quanto ao tipo de transformação de energia: ■ (^) Máquinas térmicas de deslocamento positivo — A transferência de energia ocorre em um sistema fechado. O sistema tem um elemento móvel que pode ser um pistão ou um embolo, o qual pode ter um movimento de translação alternada ou rotação. ■ (^) Máquinas térmicas de fluxo — A transferência de energia ocorre em um sistema aberto. O elemento móvel é um disco ou tambor, que possui em sua extremidade um sistema de pás, montadas de maneira a formar canais por onde o fluido de trabalho escoa. O movimento desse elemento é rotativo.
Transformação de calor em trabalho
Em um primeiro momento, veremos os conceitos de Calor (Q) e de Trabalho (W):
Calor é definido como a forma de energia transferida entre dois sistemas (ou entre um sistema e sua vizinhança) em virtude da diferença de temperaturas. Ou seja, uma interação de energia só é calor se ocorrer devido a uma dife- rença de temperatura. Dessa forma, não pode haver qualquer transferência de calor entre dois sistemas que estejam à mesma temperatura (ÇENGEL; BOLES, 2013, p. 60).
Ainda conforme Çengel e Boles (2013, p. 62):
[...] trabalho é a transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distância. Podemos simplesmente dizer que o trabalho é uma interação de energia que não é causada por uma diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança.
Com o entendimento desses conceitos, analise a figura a seguir.
Fonte quente
Fonte fria
Qq
Máquina térmica
Qf
W (^) realizado
Nota-se que tem um fluxo de energia no sistema. Se Q é o calor total absorvido pela máquina, temos a seguinte equação:
Q = Qq + Qf
Porém, como sabemos que o calor não é totalmente aproveitado no sistema, a equação fica da seguinte forma:
Q = Qq – Qf
De acordo com a primeira lei da termodinâmica “a energia não pode ser criada nem destruída durante um processo; ela pode apenas mudar de forma”, que é o princípio da conservação de energia. Portanto, de acordo com a primeira lei, podemos afirmar que:
W = Q
Como temos perdas no processo, então:
W = Qq – Qf
Então, o trabalho realizado em máquinas térmicas será a diferença do calor fornecido pela fonte quente em relação ao calor absorvido pela fonte fria. Em algumas literaturas, o W resultante também é denominado W líquido de saída.
Produção de trabalho de uma máquina térmica O calor é transferido de uma fornalha para uma máquina térmica a uma taxa de 80 MW. Considerando que a taxa em que o calor é rejeitado para um rio próximo é de 50 MW, determine o trabalho realizado pela máquina. Solução: uma representação esquemática da máquina é apresentada na figura a seguir. A fornalha serve como reservatório de alta temperatura (fonte quente), e o rio, como reservatório frio (fonte fria). Os dados fornecidos são os seguintes:
Qq = 80 MW Qf = 50 MW
Sabendo que W = Qq – Qf, temos:
W = 80 MW – 50 MW W = 30 MW
Para saber a eficiência energética da máquina, teríamos que aplicar a seguinte fórmula:
η = QW q
Nesse caso, a eficiência obtida seria (^) η = 30 MW80 MW = 0,375 ou 37,5%.
Fornalha
Rio
Qq = 80 MW
Qf = 50 MW
Wliq, sai MT
Fonte: Adaptado de Çengel e Boles (2013).
- Por definição, uma máquina térmica é aquela que consegue transformar energia térmica em: a) energia elétrica. b) energia cinética. c) energia mecânica. d) energia química. e) energia magnética.
- Para ser realizado trabalho (W) em uma máquina térmica, existe uma condição inicial a ser atendida. Que condição é essa? a) A máquina precisa ter uma boa eficiência. b) O tamanho da fonte quente tem que ser maior que o da fonte fria. c) A temperatura da fonte quente não pode ser maior que a da fonte fria. d) O tamanho da fonte fria tem que ser maior que o da fonte quente. e) A temperatura da fonte fria tem que ser menor que a da fonte quente.
- Uma determinada máquina térmica tem como definição que a sua transferência de energia ocorre em um sistema fechado, e que os elementos que a
compõem são móveis. Qual é a classificação dessa máquina? a) Máquina térmica de ciclo aberto. b) Máquina térmica de ciclo fechado. c) Máquina térmica motriz. d) Máquina térmica de deslocamento positivo. e) Máquina térmica de fluxo.
- Um motor absorve 10.000 J e realiza um trabalho de 3.000 J a cada ciclo. Qual será o calor dissipado em cada ciclo? a) 13.000 J. b) 7.000 J. c) – 7.000 J. d) 10.000 J. e) 3.000 J.
- Uma máquina térmica produz 2.400 J de trabalho mecânico e rejeita 4.200 J de calor em cada ciclo. Qual será o valor de calor fornecido a cada ciclo e sua eficiência energética em percentual? a) 6.600 J e 36,36%. b) 1800 J e 133,33%. c) 1800 J e 42,45%. d) 6.600 J e 275%. e) – 6,600 J e 36,36%.
