Máquinas teŕmicas são dispositivos que transformam a energia térmica em trabalho mecânico. Cada tipo de máquina possui suas características. Porém, todas elas necessitam de uma fonte de calor e uma uma substância que pode variar o volume. Nesse post você verá o que são, como funcionam, o rendimento e muito mais. Publicidade Máquinas térmicas são dispositivos que convertem energia. Em específico esses aparelhos convertem o
calor em energia mecânica. Para isso, elas devem operar em ciclos e os seus parâmetros devem retornar aos estados iniciais ao fim de cada ciclo. Além disso, é importante ressaltar que nenhuma máquina térmica é perfeita. Isto é, nenhuma delas terá o rendimento igual a 100%. Isso acontece porque parte da energia térmica é dissipada em outras formas de energia. Ou seja, nem todo calor é convertido em trabalho. Como funcionam as máquinas térmicasPara que um dispositivo desses funcione existem alguns elementos necessários. Por exemplo, é preciso que haja uma fonte quente e uma substância de trabalho. Geralmente, essas substâncias costumam ser um gás ou um vapor que estão em expansão térmica. Dessa maneira, o calor da fonte quente atua sobre o gás, o qual converte essa energia térmica em trabalho mecânico. Contudo, parte do calor é dissipada, geralmente essa parte é chamada de fonte fria. Quanto maior for a diferença da fonte quente para a fonte fria, maior será o rendimento da máquina. Porém, a temperatura da fonte fria fica limitada à temperatura ambiente. Por conta disso, boa parte dos esforços para melhorar o rendimento das máquinas termodinâmicas está em aumentar a temperatura da fonte quente, dentro dos limites dos materiais. Publicidade O rendimentoO rendimento da máquina térmica nunca será 100%. Isso acontece por diversos motivos. Um deles está no fato que parte da energia é perdida para o ambiente. Além disso, esse fato está presente em um dos enunciados da segunda lei da Termodinâmica. Ou seja:
Esse é o enunciado de Kelvin. Dessa maneira, para calcular o rendimento de uma máquina térmica é possível usar a seguinte relação: Publicidade Em que:
É importante ressaltar que o rendimento é uma grandeza adimensional. Ou seja, não possui unidade e medida. Dessa forma, ele sempre estará entre 0 e 1. Esse valor é referente à porcentagem de energia aproveitada pela máquina em questão. Ciclo de CarnotO ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico ideal. Ou seja, é uma aproximação teórica cuja máquina possui rendimento total. Nesse caso, uma máquina de Carnot, funciona com duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas. Ou seja, uma expansão adiabática, uma expansão isotérmica, uma compressão adiabática e uma compressão isotérmica. Ciclo de Carnot no diagrama de Clapeyron. Fonte: WikimediaNote que, neste caso, as condições finais e iniciais do ciclo termodinâmico são as mesmas. Isso significa que não há dissipação de energia no ciclo de Carnot. Publicidade Exemplos de máquinas térmicasEsses dispositivos foram fundamentais para a consolidação do estilo de vida do ser humano moderno. Por isso, os exemplos desse tipo de máquina no cotidiano são vários. Veja cinco deles:
Como foi possível ver, as máquinas térmicas estão presentes em várias ocasiões da vida do ser humano moderno. Você consegue elencar mais algum exemplo presente em seu contexto social? A importância das máquinas térmicasBoa parte da importância desses dispositivos está no papel que eles desempenharam no desenvolvimento da sociedade contemporânea. Dessa forma, as máquinas a vapor foram um dos aparelhos que possibilitaram o acontecimento da Revolução Industrial. Esse fato mudou o mundo e a vida do ser humano de maneira radical. Vantagens e desvantagens das máquinas térmicasAssim como diversos aparelhos, as máquinas térmicas também têm vantagens e desvantagens. Por isso, confira cinco prós e cinco contras desse objeto fundamental para a vida contemporânea. Vantagens
Desvantagens
Como é possível notar, esses dispositivos tiveram papel importante na consolidação do sistema econômico capitalista. Por isso, suas vantagens e desvantagens devem ser ponderadas a ponto de decidir o que é melhor para a vida contemporânea. Vídeos sobre máquinas térmicasConhecer os aspectos teóricos e experimentais das máquinas é importante para a compreensão de um aparelho que ajudou a mudar o estilo de vida do ser humano. Por isso, nos vídeos selecionados você poderá aprofundar seus conhecimentos nesses dois aspectos. Confira! Teoria sobre máquinas térmicasO professor Marcelo Boaro explica os aspectos teóricos das máquinas térmicas. Para isso, o docente define o que é um motor térmico e um ciclo termodinâmico. Ao longo do vídeo, Boaro explica matematicamente do que se trata cada aspecto desse dispositivo. No final da aula, o professor resolve um exercício de aplicação. Experimento sobre a segunda lei da TermodinâmicaO motor a vapor foi um dos motivos para que a Revolução Industrial acontecesse. Além disso, ele também auxiliou na consolidação da segunda lei da Termodinâmica. Por isso, os professores Cláudio Furukawa e Gil Marques realizam um experimento sobre esse tema. O aparato usado é comercial. Ou seja, foi comprado pronto e não é simples de ser reproduzido igualmente no vídeo. Como fazer motor StirlingUm bom exemplo de motor a vapor é o motor Stirling. Ele consiste em uma câmara com vapor que movimenta um eixo. Existem diversos modelos comerciais desse motor. Porém, não costumam ser de fácil acesso. Por isso, o canal Manual do Mundo, ensina como montar um motor a vapor usando materiais de baixo custo. Isso faz com que esse experimento possa ser reproduzido em feiras de Ciências. As máquinas térmicas são dispositivos muito importantes para a história humana. Afinal, com seu desenvolvimento e compreensão foi possível que ocorresse uma Revolução Industrial. Além disso, o estudo desses aparelhos levou a um novo conceito físico que é a segunda lei da Termodinâmica. ReferênciasFísica
1II: Termodinâmica e ondas (2016) – Hugh D. Young et al. Por Hugo Shigueo TanakaDivulgador Científico e co-fundador do canal do YouTube Ciência em Si. Historiador da Ciência. Professor de Física e Matemática. Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Como referenciar este conteúdo Tanaka, Hugo Shigueo. Máquinas térmicas. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/fisica/maquinas-termicas. Acesso em: 29 de October de 2022. 1. [Cefet-PR] O 2° princípio da Termodinâmica pode ser enunciado da seguinte forma:”É impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.”Por extensão, esse princípio nos leva a concluir que: a) sempre se pode construir máquinas térmicas cujo rendimento seja 100%; b) qualquer máquina térmica necessita apenas de uma fonte quente; c) calor e trabalho não são grandezas homogêneas; d) qualquer máquina térmica retira calor de uma fonte quente e rejeita parte desse calor para uma fonte fria; e) somente com uma fonte fria, mantida sempre a 0°C, seria possível a uma certa máquina térmica converter integralmente calor em trabalho. Alternativa correta: D Uma máquina térmica recebe calor de uma fonte quente, converte uma parte desse calor em trabalho e rejeita outra parte para uma fonte fria. O calor nunca é convertido completamente em trabalho. 2. [Enem] No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece: a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás e) na carburação, com a difusão do combustível no ar Alternativa correta: A A energia obtida pelos motores de combustão interna vem da queima de combustíveis fósseis. Junto à combustão, há uma grande expansão do volume de gás no interior dos pistões, gerando movimento. Qual a importância das máquinas térmicas para a economia?As máquinas térmicas foram fundamentais para o desenvolvimento tecnológico da humanidade, a começar pela Revolução Industrial, os meios de transporte e a produção de energia.
Qual a importância das máquinas térmicas hoje?As máquinas térmicas desempenharam um papel de grande importância para o desenvolvimento tecnológico da sociedade. Depois de aperfeiçoadas por James Watt, as máquinas térmicas movidas a vapor permitiram que a Revolução Industrial acontecesse, mudando o mundo de forma radical.
Qual foi a importância das máquinas térmicas para o desenvolvimento industrial?A vantagem fundamental das máquinas térmicas para a Revolução Industrial foi que elas permitiram aumentar a produção em uma escala nunca vista antes, isso permitiu que mais mercadorias fossem produzidas e a um custo menor.
Qual o impacto social e econômico das máquinas térmicas na agricultura?O uso de tratores, semeadeiras, colheitadeiras e outros maquinários permitiu que houvesse um grande aumento da produção, além da regularização das safras. A tecnologia começou a focar em determinadas culturas para apresentar uma máquina mais indicada para seu tipo de cultivo.
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