Máquina Térmica
Lembra da geladeira, do ar-condicionado e dos motores dos carros que discutimos no início desta apostila? Bem, eles são exemplos de máquinas térmicas! Você deve estar se perguntando: “afinal, o que é uma máquina térmica?”.
Máquina térmica é um dispositivo que recebe calor e o transforma em trabalho! Também podemos dizer que ela transforma a energia interna de um combustível em energia mecânica.
Funcionamento das Máquinas Térmicas
Basicamente, uma máquina térmica funciona através de dois reservatórios. O calor flui do reservatório onde a temperatura é mais elevada, chamado de fonte quente, para o reservatório onde a temperatura é mais baixa, chamado de fonte fria. Parte do calor que sai da fonte quente é transformado em trabalho. Se liga na figura abaixo, ela mostra o esquema de funcionamento de uma máquina térmica!
Você pode estar pensando: “se uma parte do calor foi convertida em trabalho, para onde foi o resto?”. A outra parte é dissipada na fonte fria! Assim, uma máquina térmica nunca possuirá o rendimento máximo.
Tudo bem, o rendimento não é máximo. Mas, então, como podemos saber qual é este rendimento? Essa resposta é fácil! Existe uma equação que nos permite calculá-lo. O rendimento é a razão entre o trabalho que a máquina realiza e o calor que entra nela.
Muito Importante! Como o rendimento de uma máquina térmica não é máximo, ele sempre será um valor menor do que 1 (o que quer dizer, “menor do que 100% do rendimento”).
Mas e na prática? Como funcionam as máquinas térmicas mais comuns em nosso cotidiano? Vamos ver isso agora!
Motor de Combustão Interna
Os motores dos carros são máquinas térmicas! Você sabia que o primeiros motores foram criados para utilização nas locomotivas? Sim, essa invenção foi muito importante, pois possibilitou não somente o transporte de cargas, mas também uma significativa diminuição no tempo das viagens de longo percurso. Com o passar do tempo, as locomotivas foram sendo aperfeiçoadas e, em 1924, os seus motores a vapor, de combustão externa, foram substituídos por motores diesel de combustão interna!
E os automóveis, onde entram nisso? Assim como os caminhões e os ônibus, seus motores também funcionam através da queima interna de combustível. E aí, achou interessante? Não terminou ainda. Está preparado para entender o funcionamento deles?
Esses motores trabalham numa sequência de quatro movimentos do pistão no cilindro, o que completa um ciclo. A primeira etapa é a admissão. Nela, o pistão desce enquanto aspira uma mistura gasosa de ar e combustível. A pressão é mantida constante. Lembra como se chamava este processo? Isobárico!
No segundo tempo, a válvula de admissão se fecha enquanto o pistão se move para cima, comprimindo a mistura gasosa. Há aumento de pressão e de temperatura através de um processo adiabático. Lembra o que é isso? Quer dizer que não há troca de calor da mistura com o meio! Na próxima etapa ocorre a máxima compressão. Uma faísca provoca uma explosão que causa o aumento de temperatura, aumentando a pressão no interior do cilindro e resultando na expansão da mistura gasosa. Novamente ocorre um processo adiabático.
A etapa final é a exaustão! Após a expansão, a válvula de escape é aberta e o gás que se encontra no interior do cilindro escapa para a atmosfera. O ciclo termina quando o pistão sobe, retomando o volume mínimo e expulsando quase todo o gás restante para a atmosfera.
Refrigerador
E o refrigerador, como funciona? Ele é uma máquina térmica invertida que também opera em ciclos! Como transfere calor da fonte fria para a fonte quente, é necessário fornecer trabalho para este processo! Mas o que são as fontes da geladeira? De onde vem este trabalho? Vamos explicar isso agora!
A fonte fria é justamente a parte interna e a fonte quente é o ambiente externo. Já o trabalho é fornecido pelo compressor, que é acionado por um motor elétrico. A troca de calor se dá por convecção!
Ar Condicionado
Os aparelhos de ar-condicionado funcionam de uma forma muito parecida com os refrigeradores: eles são considerados máquinas térmicas invertidas, pois transferem calor de uma região fria para uma mais quente.
Esses aparelhos são constituídos por um compressor, um condensador e um evaporador. Neles, o ar do ambiente passa por um filtro, onde o pó e a umidade são retidos. Em seguida, este ar entra em contato com a serpentina, onde é resfriado, retornando ao ambiente através de um ventilador.
Alguma vez você já pensou porque uma parte do ar-condicionado precisa ficar do lado de fora dos ambientes? A resposta é simples! Esta parte é chamada de condensador e aquece muito! Como esse excesso de calor aqueceria o ar do ambiente, o condensador é mantido na parte externa.
Segunda Lei da Termodinâmica
Enquanto a Primeira Lei fala sobre a conversão de uma forma de energia em outra, a Segunda Lei trata das limitações desse processo. É esta a lei que define quais processos podem ou não acontecer.
Esta lei basicamente expressa algo completamente intuitivo! Ela diz que o calor flui de maneira espontânea do corpo quente para o corpo frio. Notaram a palavra espontânea? Isso significa que o calor pode sim passar de um corpo frio para um corpo quente, mas só se for forçado a isso (trabalho).