A máquina de Watt
As primeiras máquinas térmicas, inventada no século XVIII, consumiam grande quantidade de combustível para produzir um trabalho relativamente pequeno. Por volta de 1770, o inventor escocês James Watt apresentou um novo modelo de máquina térmica que veio substituir, com enormes vantagens as máquinas já existentes. a máquina de Watt funcionava da seguinte maneira: o vapor formado na caldeira à alta pressão penetra no cilindro através de uma válvula A que está aberta (neste momento uma outra válvula B está fechada). O pistom, é então, empurrado pelo vapor colocando em rotação uma roda a ele acompanhada. Quando o pistom se aproxima da extremidade do cilindro, a válvula A é fechada e a B é aberta, permitindo o escapamento do vapor para o condensador, o qual é continuamente resfriado por um jato de água fria. Assim o vapor se condensa, ocasionando uma queda de pressão no interior do cilindro, fazendo com que o pistom retorne à posição inicial. A válvula B é então fechada, enquanto a A é aberta, permitindo nova adimissão de vapor no cilindro, repetindo-se o ciclo. Desta maneira, a rota acoplada no pistom se manterá continuamente em rotação.
A máquina a vapor de Watt passou a ser amplamente usada nas fábricas, sendo consideradas um dos fatores que provocaram a famosa Revolução Industrial.
Locomotiva à vapor
A máquina térmica de Watt deu origem à locomotiva a vapor. Veja as fases do seu funcionamento:
- O vapor proveniente da caldeira entra pela extremidade esquerda do cilindro, empurrando o pistom para a direita;
- O vapor que estava à direita do pistom escapa por uma saída;
- Uma válvula deslisante desloca-se então, para a esquerda, fechando a entrada incial de vapor e abrindo a entrada da direita;
- O pistom, que ja se encontrava na extremidade direita do cilindro, recebe a pressão desta nova entrada de vapor e desloca para a direita;
- Um novo movimento da válvula deslisante, agora para a direita, permite novamente a esquerda e o ciclo se repete.
Turbina à vapor
Os modelos de máquinas térmicas que apresentamos são, atualmente muito pouco utilizadas. A energia térmica do vapor continua sendo empregada para movimentar outro modela de máquina térmica, denominand0 turbina à vapor. O seu funcionamento é mais simples do que o da máquina de Watt: o jato de vapor, a altíssima pressão é lançado contra um conjunto de lâminas presas a um eixo (rotor), colocando a turbina em rotação.
Motor de explosão
No decorrer do século XX, foram inventados vários outros tipos de máquinas térmicas, destacando-se entre elas os motores de explosão, as turbinas à vapor, os motores à jato etc.
Conhecerems agora um esquema de motor de explosão a 4 tempos:
- No 1º tempo, denominado a dimensão, a válvula A se abre, permitindo a entrada da explosiva, enquanto o pistom desce no cilindro;
- No 2º tempo, denominado compressão, a mistura é comprimida na candra C (o pistom sobe) e sua temperatura se eleva. Neste tempo, as válvulas A e B permanecem fechadas;
- No 3º tempo, denominado explosão e expansão a vela V produz uma sentelha elétrica, causando a ignição da mistura explosiva. Este é o único tempo no qual a produção de um trabalho efetivo, pois os gases quentes da combustão, por sua alta pressão, fazem o pistom descer comunicando o movimento de rotação a uma rota a ele acoplada.
Fechando-se a válvula D, uma nova descida do pistom e a abertura da válvula A dão início a outro ciclo.
Rendimento de uma máquina térmica
Denimina-se rendimento R, de uma máquina térmica a aceleração entre o trabalho, T, que ela realiza em cada ciclo, e o calor, Q1, absorvido durante o ciclo da fonte quente, isto é;
R=T/Q1, logo, o rendimento de uma máquina térmica será tanto maior quanto maior for o trabalho que ela realiza para determinada quantidade de calor absorvido. Assim se o rendimento de uma máquina for R=0,5 (ou R=50%), isto significa que etsa máquina transforma em trabalho a metade do calor que ela recebe da fonte quente. Sendo Q1=T + Q2 ou T=Q1 - Q2. Então podemos expressar o rendimento de uma máquina térmica da seguinte maneira:
R=T/Q1=Q1-Q2/Q1 ou R=1-Q/Q1.
A segunda Lei da Termodinâmica
Observando o comportamento das máquinas térmicas durante muitos anos os cientistas perceberam que era impossível construir uma máquina com R=1 ou R=100% de rendimento. Esta conclusão constitui uma das leis fundamentais na natureza, denominada 2º Lei Termodinâmica, que foi enunciada por Kelvin, da seguinte maneira:
é impossível construir uma máquina térmica, que operando um ciclo, transforma em trabalho toda energia a ela fornecida.
Desta forma o rendimento de qualquer máquina térmica é inferior a 100%.
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