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Teoria
Máquinas térmicas
Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia térmica em energia mecânica.
Imagine duas fontes térmicas, uma “quente” (A) e outra “fria” (B), ou seja, a temperatura de A é maior que a de B: 𝑇𝐴> 𝑇𝐵 . Então, coloca-se uma máquina térmica entre elas. Um fluido operante – por vezes chamado fluido de trabalho –, geralmente vapor d’água, serve de veículo para a energia térmica que sai da fonte quente e passa pelo dispositivo intermediário, que utiliza parte dessa energia na realização do trabalho. O restante dessa energia vai para a fonte fria.
Podemos chamar a quantidade de calor que chega à máquina térmica, vinda da fonte quente, de 𝑄𝐴, e a quantidade de calor que é transmitida pela máquina térmica à fonte fria B, de 𝑄𝐵. Assim, o trabalho realizado pela máquina térmica, por conservação de energia, pode ser escrito como:
𝜏 = 𝑄
𝐴− 𝑄
𝐵2ª Lei da Termodinâmica
Antes de enunciarmos a 2ª Lei da Termodinâmica, vamos definir o conceito de rendimento. Rendimento de uma máquina térmica nada mais é do que a fração de calor recebido da fonte quente que é usada para a realização de trabalho, assim:
𝜖 = 𝜏
|𝑄𝐴|= |𝑄𝐴| −|𝑄𝐵|
|𝑄𝐴|= 1 −|𝑄𝐵|
|𝑄𝐴| Portanto:
𝜖 = 1 − |𝑄
𝐵|
|𝑄
𝐴|
Note que, para ter rendimento de 100% (𝜖 = 1), o valor de QB deveria ser zero. No entanto, isso é impossível, pois a quantidade de calor QA sai de A devido à existência da fonte fria.
Enunciado de Kelvin-Planck
“É impossível construir uma máquina que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica recebida de uma fonte quente”.
Se levarmos em consideração o fato de a energia térmica fluir da fonte quente para a fonte fria, podemos enunciar a 2ª Lei da Termodinâmica da seguinte forma:
Enunciado de Clausius:
“É impossível uma máquina, sem ajuda de um agente externo, conduzir calor de um sistema para outro que esteja a uma temperatura maior”.
Disso, concluímos que o calor só pode passar de um sistema de menor temperatura para outro de maior temperatura se um agente externo realizar um trabalho sobre esse sistema – que é o que acontece em máquinas frigoríficas e condicionadores de ar.
O ciclo de Carnot
Antes mesmo de a 1ª Lei da Termodinâmica ter sido enunciada, Leonard Sadi Carnot criou dois postulados referentes a uma máquina térmica ideal. São eles:
1° postulado de Carnot:
“Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre as mesmas temperaturas”.
2° postulado de Carnot:
“Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluido operante”
Esses postulados garantem que o rendimento de uma máquina térmica é função das temperaturas das fontes frias e quentes.
Para o caso em que o fluido operante é um gás ideal, o ciclo de Carnot é composto por duas transformações isotérmicas e por duas transformações adiabáticas, alternadas. Desse modo, podemos desenhar o seguinte gráfico, da pressão em função do volume:
|𝑄𝐵|
|𝑄𝐴|=𝑇𝐵 𝑇𝐴
Assim, o rendimento é dado por:
𝜖 = 1 − 𝑇
𝐵𝑇
𝐴Se o rendimento fosse de 100%, teríamos 𝜖 = 1 e 𝑇𝐵 = 0. Mas isso contraria a 2ª Lei, o que nos leva a concluir que nenhum sistema físico pode estar no zero absoluto, segundo a Termodinâmica clássica.
“O zero absoluto seria a temperatura da fonte fria de uma máquina ideal de Carnot que operasse com rendimento de 100%”.
Que tal dar uma olhadinha nesse conceito na prática? Assista ao vídeo “Máquina Térmica de Stirling” do canal da Univesp, clicando aqui.
Se liga!
O estudo das máquinas térmicas representou um salto muito grande para o desenvolvimento humano, já que a aplicação industrial da Segunda Lei da Termodinâmica proporcionou a utilização da máquina a vapor e, principalmente, das máquinas movidas a combustíveis fósseis.
Figura 02 – Máquina a vapor
O carvão é a palavra que resume o desenvolvimento maquinário da 1° Revolução Industrial. Esse período iniciou por volta de 1760, na Europa, marcando a transição de um sistema feudal para o sistema capitalista, finalizando em meados de 1850 e dando início a 2° Revolução Industrial. Que tal dar uma olhada num resumo do que aconteceu nesse período, temos um vídeo com um mapa mental sensacional sobre isso. Clique aqui.
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Exercícios
1.
(Uepg 2018) Em relação às máquinas térmicas, assinale o que for correto.I. Máquinas térmicas são dispositivos que convertem parte da energia térmica recebida em trabalho mecânico.
II. O motor à combustão de um automóvel é um exemplo de máquina térmica.
III. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, o calor adicionado a um sistema é numericamente igual à variação da energia interna do sistema mais o trabalho externo realizado pelo sistema.
IV. As máquinas térmicas mais eficientes transformam todo o calor recebido de um reservatório quente em trabalho mecânico.
V. O rendimento de uma máquina térmica é numericamente igual à razão entre a temperatura da fonte quente pela temperatura da fonte fria.
a) I.
b) I, IV.
c) I, II e III.
d) II, IV, V e) IV, V.
2.
(Uece 2015) Em um motor de carro convencional a primeira transformação de energia em trabalho ocorre dentro do cilindro que aloja o pistão. De modo simplificado, pode-se entender esse sistema como um cilindro fechado contendo um êmbolo móvel, que é o pistão. Em um dado instante a mistura ar e combustível sofre combustão forçando os gases resultantes dessa queima a sofrerem expansão, movimentando o pistão ao longo do eixo do cilindro.É correto afirmar que a energia térmica contida nos gases imediatamente após a combustão é
a) parte transferida na forma de calor para o ambiente e parte convertida em energia cinética do pistão.
b) totalmente transferida como calor para o ambiente.
c) totalmente convertida em trabalho sobre o pistão.
d) parte convertida em trabalho sobre o pistão e o restante convertida em energia cinética também do pistão.
e) totalmente convertida em energia cinética para o pistão.
valor, 200J são perdidos sob a forma de calor. Qual a eficiência desse motor?
a) 300/3 b) 100/3 c) 200/3 d) 500/2 e) 300/2
4.
(Pucrs 2014) Numa turbina, o vapor de água é admitido a 800K e é expulso a 400K. Se o rendimento real dessa turbina é 80% do seu rendimento ideal ou limite, fornecendo-se 100kJ de calor à turbina ela poderá realizar um trabalho igual aa) 80kJ b) 60kJ c) 40kJ d) 20kJ e) 10kJ
5.
(Upe 2014) Com base nas Leis da Termodinâmica, analise as afirmativas a seguir:I. Existem algumas máquinas térmicas que, operando em ciclos, retiram energia, na forma de calor, de uma fonte, transformando-a integralmente em trabalho.
II. Não existe transferência de calor de forma espontânea de um corpo de temperatura menor para outro de temperatura maior.
III. Refrigeradores são dispositivos, que transferem energia na forma de calor de um sistema de menor temperatura para outro de maior temperatura.
Está(ão) CORRETA(S) a) apenas I.
b) apenas II.
c) apenas I e III.
d) apenas II e III.
e) I, II e III.
Gabaritos
1. C
Análise das afirmativas:
I. Verdadeira. É a definição de máquinas térmicas.
II. Verdadeira. A combustão produz calor e parte deste vira trabalho mecânico.
III. Verdadeira. Perfeitamente retrata a primeira lei da termodinâmica.
IV. Falsa. Não existe máquina térmica com rendimento de 100%.
V. Falsa. O rendimento de uma máquina térmica é dado pela razão entre a diferença de temperatura da fonte quente e fria pela temperatura da fonte quente, ou ainda, a unidade menos a razão entre a fonte fria e a fonte quente.
2. A
Justificando as alternativas INCORRETAS:
b)Se isso acontecesse, não haveria energia sendo convertida em trabalho e, consequentemente, não haveria movimentação do pistão.
c)Vai contra a Segunda Lei da Termodinâmica, que diz que nenhuma máquina operando em ciclos irá converter todo o calor recebido em trabalho. Dever haver uma perda de energia que não é utilizada como trabalho no processo.
d)Vai contra a Segunda Lei da Termodinâmica.
e)Vai contra a Segunda Lei da Termodinâmica.
3. B
Com base nos dados fornecidos pela questão:
F Q
Q 200
1 1
Q 300
1 2 3 1 3 η
η η
= − = −
= −
=
Em termos percentuais:
1 100%
3 100%
3 η η
=
=
4. C
O rendimento ideal é aquele dado pelo ciclo de Carnot:
i fria i
T 400
1 1 n 0,5.
η = − = − =
I. INCORRETA. De acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica, é impossível uma máquina térmica, operando em ciclos, transformar integralmente calor em trabalho.
II. CORRETA.
III. CORRETA.
