Máquinas térmicas

Máquinas térmicas

Máquinas térmicas são dispositivos que transformam a energia interna de um combustível em energia mecânica. Máquinas térmicas convertem calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes – uma fonte quente e uma fonte fria. Basicamente, o calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixo (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da Termodinâmica, e transformando parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, portanto, rejeita menor calor para a fonte fria.

As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor – gás ou vapor em expansão térmica – para provocar a realização de um trabalho mecânico.

O cilindro com pistão móvel é, portanto, um dos principais componentes de uma máquina térmica. O gás preso do cilindro sob pressão, quando aquecido, se expande, desloca o pistão e realiza o trabalho.

Há diferentes tipos de máquinas térmicas, mas todas elas possuem as seguintes características:

  • recebem calor de uma fonte quente, seja um coletor de energia solar, um reator nuclear, uma fornalha a combustível etc.
  •  funcionam por ciclos

As máquinas térmicas normalmente utilizam um fluído para receber e ceder calor. Esse fluido é denominado de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria:

Wt= W2 - W1

Wt = trabalho líquido ou total da máquina térmica
W2 = trabalho da fonte quente
W1 = trabalho da fonte fria

O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:

Wt= Q2 - Q1

Q2 = calor cedido da fonte quente
Q1= calor recebido pela fonte fria

O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre a potência útil – trabalho produzido pela máquina térmica – e a potência total – calor fornecido à máquina térmica pela fonte quente. Ou seja, o rendimento é o que se obtém pelo que se dá de trabalho.

A parte de calor que não é utilizada para a realização de trabalho é cedida à fonte fria, ou é dissipada. Portanto, uma máquina térmica não transforma todo o calor em trabalho. A Segunda Lei da Termodinâmica nos ensina que é impossísvel transformar todo calor em trabalho, refletindo o fato de que o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

O rendimento de uma máquina térmica pode ser calculado ao se saber quanto de trabalho ela produz e quanto de calor é fornecido pela fonte quente.

Matematicamente, o rendimento sempre resulta num valor menor que 1 ou 100%:

O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. O rendimento de máquinas térmicas costuma ser baixo. Exemplos: motores de automóveis têm um rendimento de aproximadamente 30%, motores a diesel, 50%, e grandes turbinas a gas, 80%.

A energia que não é aproveitada pela máquina é expulsa para o meio ambiente, na forma de energia “perdida”.

O engenheiro francês Nicolas Leonard Sadi Carnot imaginou um ciclo ideal, o Ciclo de Carnot, onde a eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico seria máxima. Porém, seus estudos logo apontaram que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina a vapor. Esta realização serviu de base para a formulação da Segunda Lei da Termodinâmica.

O surgimento das máquinas térmicas

Desde a Antiguidade, sabia-se que o calor poderia ser utilizado para produzir vapor e que este poderia ser empregado para se desempenhar trabalho mecânico. No século I d.C. um inventor grego, Heron de Alexandria, construiu um dispositivo que era constituído por uma esfera de metal com dois furos, dos quais escapava ar quente, vapor, que provinha do aquecimento da água. Este dispositivo criado por Heron era uma máquina térmica: transformava calor em trabalho mecânico. Contudo, a invenção de Heron não foi utilizada para produzir grandes quantidades de energia mecânica. Foi apenas no século XVIII que foram construídas as primeiras máquinas capazes de realizar trabalhos industriais.

As primeiras máquinas térmicas tinham rendimentos muito baixos: consumiam grandes quantidades de combustível, mas realizavam pequenos trabalhos. Isto veio a mudar graças ao trabalho do grande inventor escocês, James Watt, que inventou uma máquina a vapor com menores problemas de perda de energia e que poderia também gerar movimento circular. A máquina inventada por Watt foi empregada nos moinhos e no acionamento de bombas d’água. Posteriormente, foi empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Também passou a ser muito utilizada nas fábricas, para acionar dispositivos industriais. A importância da invenção de Watt evidencia-se pelo fato de ter sido um dos fatores que contribuiu decisivamente para o avanço da Revolução Industrial.