Máquinas Térmicas

Nos capítulos anteriores nós aprendemos que a energia existe sob várias formas (me- cânica, elétrica, nuclear, solar etc.) e que ela pode ser convertida de uma forma a outra. Em tais conversões, a energia total de um sistema isolado tem que ser conservada; a energia não pode ser criada ou destruída, somente transformada. Nas seções seguintes, nós vamos ampliar a nossa discussão sobre conversão de energia, considerando um tipo de máquina denominado máquinas térmicas. Este grupo inclui todos os dispositivos em que o calor é

convertido em trabalho útil; portanto, a máquina térmica ocupa lugar de destaque em muitas das nossas conversões de energia. Um motor de automóvel converte a energia química da gasolina (por meio da combustão) na energia mecânica de um pistão e um virabrequim; a turbina em uma usina geradora de eletricidade converte calor em trabalho do eixo para operar um gerador.

6 N.T.: Para aqueles que estão interessados principalmente nas aplicações práticas da transferências de calor, esta seção e a próxima podem ser omitidas em uma primeira leitura.

Já que o calor é a energia transferida de uma substância para outra quando existe uma diferença de temperatura entre elas, necessita-se de uma fonte de calor. O calor geralmente provém de um combustível que é queimado, embora também possa ser solar ou nuclear. O fluxo de calor ocorre através de um meio fluido, tal como um líquido ou um gás. Este meio é chamado de "fluido de trabalho". Por exemplo, a combustão da madeira pode aquecer o ar, que pode ser utilizado para movimentar uma turbina. Neste caso, o calor flui de uma fonte quente (o fogo) para os gases de combustão (o meio), que, por sua vez, movimentam a turbina.

A Figura 4.18 mostra o fluxo de energia em uma máquina térmica. O calor QH flui de

uma "fonte" quente a uma temperatura TH para um "sorvedouro" frio a uma temperatura

TC. Parte desta energia é transformada em trabalho W. Como a energia é conservada, o calor QH que deixa o sistema é igual a o calor QC que entra n o sorvedouro somado a o tra- balho realizado pela máquina: QH = Qc + W. (não há armazenamento de energia). Quanto

mais baixa for a temperatura do sorvedouro Tc ou mais alta for a temperatura da fonte TH,

mais trabalho a máquina é capaz de realizar. A energia disponível para realizar trabalho se origina de uma redução de temperatura do fluido de trabalho. Quanto maior for a va- riação de temperatura, maior será o decréscimo de energia do fluido de trabalho, e, por- tanto, maior será a quantidade de energia disponível para realizar trabalho.

Após realizar trabalho, o fluido de trabalho pode ser descartado no ambiente ou man- dado de volta à fonte de calor para reiniciar o ciclo. No primeiro caso, temos um "ciclo aberto"; no segundo, um "ciclo fechado". Caso o fluido seja retornado ao seu estado ini- cial, não haverá mudança em sua energia total, e, portanto, delta E = 0. Conseqüentemente, pela primeira lei da termodinâmica, o trabalho total realizado pelo sistema é igual à adição líquida de calor (calor que entra menos calor que sai):

FIGURA 4.18

Uma máquina térmica transforma calor em trabalho.

Cap. 4 Calor e Trabalho 97

exemplo comum de máquina térmica é a turbina a vapor, como as utilizadas para

geração de eletricidade (veja a Figura 3.3). O fluido de trabalho neste sistema de ciclo

é a água, nos estados líquido e vapor. Calor é transferido do combustível sendo queimado para a água na caldeira, elevando sua energia e transformando-a em vapor. O

vapor movimenta as pás ou aletas da turbina, fornecendo parte de sua energia para girar o eixo. No condensador, o vapor é condensado para a fase líquida, enquanto parte de sua energia transferida à água que se resfria e liberada para o ambiente. A água e, finalmente, bombeada a uma alta pressão e retornada à caldeira. (O calor necessário à operação desta

bomba do gerador a turbina.) Para o sistema gerador completo, o balanço de energia é consequência da primeira lei da termodinâmica:

O trabalho realizado pelo sistema vem da diminuição delta E da energia do vapor; quanto maior o delta E atingido, mais trabalho a turbina pode realizar. Este é o maior motivo para a presença do condensador. Ele representa uma região de baixa temperatura em que o vapor

condensar a líquido a baixa pressão (menor do que a atmosférica), portanto, fazendo que o delta E da água seja grande. O líquido também é muito mais facilmente bombeado

(requer menos energia) de volta à caldeira do que seria se fosse um gás.

Apenas uma fração da energia contida em um combustível é convertida em trabalho útil. Iremos detalhar a apresentação do Capítulo 3 sobre eficiências de conversão de energia, I veremos que as máquinas têm limites teóricos em suas eficiências. Isto resulta em "polui- ção térmica": a adição de calor indesejado ao meio ambiente, principalmente às águas natu- rais. Conforme vimos no Capítulo 3, aproximadamente dois terços da energia química contida no combustível que entra em uma usina elétrica movida a combustível fóssil acaba se transformando em calor improdutivo descartado.

Existem diversos tipos de máquinas térmicas, algumas das quais estão listadas na Tabela 4.3. Elas se caracterizam pelo tipo de ciclo a que o fluido de trabalho é submetido. Um ciclo em que o fluido de trabalho sofre mudança de estado, como no circuito de uma turbina a vapor, é chamado de ciclo a vapor ou ciclo Rankine. Um ciclo em que o fluido de trabalho

se mantém no estado gasoso é chamado de ciclo a gás (geralmente o fluido é um gás quente,

que não deve ser confundido com o combustível gás natural). Motores7 _{de ciclo a gás podem}

ser de combustão interna ou externa, o que depende de o combustível ser queimado dentro ou fora da câmara onde se gera a potência. Motores de ciclo Rankine são sempre dispositivos de combustão externa. Motores a combustão externa do tipo turbina a gás são largamente empregados em aeronaves e motores marinhos, bem como em unidades utilizadas durante picos de consumo em usinas geradoras de eletricidade. Com a abundância atual do gás na-

tural, sua utilização tende a aumentar. O tipo mais comum de motor a combustão interna é o

motor de automóvel, por ignição com faísca, que utiliza o ciclo "Otto".

T a b e l a 4.3 EXEMPLOS DE M Á Q U I N A S TÉRMICAS

Ciclo a vapor ou Rankine Máquinas a vapor (usina elétrica, velhas locomotivas) Bomba de calor de refrigeradores (usando Freon)

Ciclo a gás Combustão interna: Otto, ciclos a diesel (automóveis, caminhões) Combustão externa: turbina a gás (aviões), ciclo Stirling

7 N.T.: A expressão original é "engine" (motor), mas referindo-se a "thermal engine". que em português é conhecido como máquina térmica. Entretanto, algumas expressões em português usam o termo motor, como em motor a combustão interna. Usaremos sempre o termo mais largamente empregado em português.

FIGURA 4.19

Conversão de Energia Térmica do Oceano (Otec). A diferença de temperatura entre as águas na superfície e no fundo do mar permitem que se construa uma máquina térmica.

Outro tipo de máquina térmica é um dispositivo que gera eletricidade utilizando as diferenças de temperatura entre as águas superficiais mornas tropicais e as águas a 1.000 m de profundidade. O processo é chamado de Conversão de Energia Térmica do Oceano, ou Otec. Um tipo de ciclo (Figura 4.19) utiliza as águas superficiais mornas para ferver a

amônia. O vapor de amônia movimenta então um gerador a turbina. As águas frias pro- fundas condensam a amônia a um líquido, que é bombeado de volta à caldeira. A dife- rença de temperatura nesta usina poderia ser de 25°C - 5°C = 20°C. Com um AT tão pequeno (se comparado com os 500°C de uma usina elétrica a vapor), a eficiência global da Otec é muito baixa (3% - 4%). Assim, para produzir mais potência, a planta tem que movimentar uma grande quantidade de água, e uma boa parte da potência gerada é uti- lizada para operar as bombas. Uma usina de demonstração no Havaí gerou 250 kW, com uma potência líquida de saída de 100 kW, de 1979 a 1999. A Otec tem bastante potencial, mas o custo e a corrosão pela água do mar representam dois empecilhos.