MÁQUINAS TÉRMICAS

     Você saberia dizer o que há de comum entre um ônibus, um automóvel, uma geladeira e um condicionador de ar? Eles aparentemente não tem nada em comum. Apesar de serem veículos ou equipamentos com finalidades completamente distintas, eles tem algumas semelhanças em termos físicos, sendo uma a mais interessante de todas: a capacidade de realizar trabalho mecânico.

     Lembra-se das forças de atrito que estudamos na mecânica? Imagine um automóvel que se desloca com uma velocidade muito alta e de repente o motorista vê um gatinho em meio a estrada e desesperado aciona os freios bruscamente. Bom, suponha que o carro não tenha sistema ABS  (Anti-lock Braking System - sistema anti-travamento das rodas) e que motorista consiga parar antes de atentar contra a vida do gatinho. Durante esse processo o motorista vê a fumaça dos pneus queimados no asfalto pelo retrovisor. O que originou essa fumaça dos pneus?

     Naturalmente as forças de atrito geram como produto uma certa quantidade de calor: energia cedida ao ambiente oriunda da dissipação de energia mecânica. Pois bem as máquinas térmicas são mecanismos construídos de modo que aproveitam a energia térmica para transformá-la em energia mecânica. Nesses casos, o calor pode ser produzido pela queima de algum elemento combustível, que pode ser o carvão extraído das minas, petróleo, gás natural; ou vindo de um sistema mais complexo. Hoje, algumas das máquinas mais utilizadas por nós é baseada nesse princípio de funcionamento.

     A conservação da energia ocorre nesse processo através da transformação da energia química do combustível em movimento. Antigamente algumas pessoas pensavam que o calor era uma espécie de fluido (calórico). Assim deveria ser possível empregar uma máquina térmica de maneira similar a uma roda d'água: o calor ao sair de um corpo quente, "passando" por um certo sistema, faria uma interação com ele e depois seria possível reaproveitá-lo posteriormente, inclusive fazendo-o voltar livremente para o corpo quente e permitir que pudesse gerar movimento novamente.

     Supondo que isso fosse de alguma forma possível seria possível termos um sistema que produziria movimento infinitamente. Esse sistema seria de móto-perpétuo e realizaríamos então o sonho de muitos inventores da idade média. Se tratássemos o calor com um simples fluído jamais poderíamos abordá-lo como uma forma de energia. Se na máquina térmica há o movimento, claramente uma forma de energia, ao tomarmos o princípio de conservação de energia, devíamos ter algum tipo de energia desaparecendo: o calor deveria sumir, o que propriamente coloca em xeque a idéia do calórico.

     Os estudos realizados sobre o calor e o contínuo aperfeiçoamento das máquinas térmicas, mostraram que a conservação do calor era uma idéia falsa: era impossível reaproveitar o calórico transferido para uma fonte fria. Outro dado tão relevante quanto a anterior seria é que nem toda a energia térmica poderia ser transformada em energia mecânica. Essas informações vieram para dar origem a uma nova categoria de fenômenos que contrariavam a mecânica newtoniana: os fenômenos irreversíveis.
 

Definição

     Máquina térmica é um dispositivo capaz de realizar trabalho convertendo energia térmica em energia mecânica.

A História Conta

     O homem desde a antiguidade procura inventar aparelhos que facilitem a execução de tarefas diárias, tragam conforto, ou ainda, que permitam a superação de suas limitações. Até meados do século XIX grande parte da energia gasta para algum processo era oriunda de tração animal.

         A primeira máquina térmica de que se tem registros é a máquina de Heron. Esta é uma máquina a vapor que foi construída no século I d.C. com o objetivo de divertir as pessoas. Ela é composta de um recipiente fechado, exceto por duas saídas posicionadas de tal forma que permitem a saída do vapor do líquido, quando este está em ebulição. A pressão do vapor gera uma força no braço do recipiente, fazendo com que este rotacione. Veja a seguir uma ilustração dessa máquina.

          O primeiro projeto bem-sucedido de máquina térmica foi o do inglês, engenheiro militar, Capitão Thomas Savery desenvolvido em 1698, servindo como uma bomba d'água. Sua construção tentava resolver um problema na época: bombear água das minas de carvão bastante profundas já que estas eram constantemente inundadas. Embora a tentativa, a máquina de Savery não possuía eficiência para tal bombeamento.

          Em 1712 o inglês Thomas Newcomen construiu uma bomba hidráulica capaz de realizar a tarefa. Essa máquina além de funcionar bem tinha construção simples e não envolvia técnicas especiais ou caras. Sua construção em larga escala proporcionou à Inglaterra uma supremacia tecnológica que durou 150 anos.

           Uma das primeiras aplicações das máquinas térmicas foram as máquinas a vapor. Estas equiparam as primeiras locomotivas. A primeira locomotiva a vapor usando trilhos foi construída pelo engenheiro inglês Richard Trevithick e fez o seu primeiro percurso em 21 de Fevereiro de 1804. A locomotiva conseguiu puxar cinco vagões com dez toneladas de carga e setenta passageiros à velocidade vertiginosa de 8 km por hora usando para o efeito trilhos fabricados em ferro-fundido. Esta locomotiva, por ser demasiado pesada para a linha-férrea e avariar constantemente, não teve grande sucesso.

           Dentre as máquinas térmicas mais conhecidas na atualidade pode-se citar os refrigeradores, os condicionadores de ar, máquinas a vapor, automóveis, motocicletas, caminhões, etc. Elas diferem entre si no emprego e nos ciclos que realizam.

           As máquinas térmicas são dispositivos que convertem calor em trabalho, enquanto opera em um ciclo. Mas temos diversos ciclos termodinâmicos diferentes, conheça mais profundamente cada um deles e as leis que regem essas operações.

• SEARS, F. W.,ZEMANSKY, M. W. Física. Brasília, v.2, Ed Universidade de Brasília, 1973.