Máquinas Térmicas

1) O que caracteriza uma máquina térmica?

A máquina térmica é um dispositivo capaz de transformar energia térmica (proveniente de calor) em trabalho mecânico. Parte da energia interna de uma substância de operação (vapor de água, álcool, gasolina, diesel) se transforma em energia de movimento.

 

Máquina de Heron: foi desenhada no século I d.c. por sendo considerada a primeira máquina a vapor documentada.

2) Como surgiu a máquina térmica?

A primeira máquina térmica que existiu foi a chamada máquina de Heron, dado esse nome devido ao seu inventor grego Heron, essa máquina consistia em aprisionar água em um recipiente esférico de metal com dois furos. Ao aquecer essa água neste recipiente, o vapor escapava e fazia com que a esfera girasse.

 

3) O que é uma máquina a vapor?

Com o avanço tecnológico dos séculos passados, o mecânico e ferreiro inglês Thomas Newcomen instalou em uma mina de carvão uma máquina utilizada para drenar a água acumulada na mina, a primeira máquina a vapor em 1712. Foi a primeira máquina térmica que transformava calor em trabalho mecânico.

 

4) Com o passar do tempo em que tipo de dispositivos foram utilizados o princípio de funcionamento da máquina térmica?

E em 1770, o escocês James Watt, apresentou um modelo que viria a substituir os modelos propostos anteriormente ao seu trabalho, pois o modelo proposto por Watt era mais eficiente e futuramente foi empregado em moinhos, em acionamento de bombas d’água e mais tarde em locomotivas e barcos a vapor.

 

5) O que possibilitou o início da utilização das máquinas térmicas em larga escala?

A descoberta da máquina a vapor no início do século 18. Inventada com o fim específico de retirar água das minas de carvão ingleses, que se tornavam cada vez mais profundas, a máquina a vapor impulsionou uma grande transformação social, econômica e tecnológica, historicamente chamado de Primeira Revolução Industrial.

 

6) Em que atividades as máquinas térmicas foram e ainda são utilizadas?

Em pouco tempo, a máquina a vapor foi utilizada na indústria de tecelagem e de aço, nas embarcações e até na impressão de jornais. Em 1820, foi empregado pela primeira vez em locomotivas e, em 1841, em máquinas agrícolas, acionando as debulhadoras. Alguns anos mais tarde, serviu de motor de tração em automóveis. Ainda hoje possui um papel importante: é utilizada nas usinas termelétricas para gerar energia térmica.

 

Motor a Vapor

7) Quem fornece energia interna para o vapor de água em uma locomotiva a vapor?

No caso específico da máquina a vapor que utiliza carvão mineral como combustível, parte da energia química do carvão é transformada em energia interna do vapor de água e parte em energia de movimento.

 

8) Nas usinas termelétricas atuais como se obtém o movimento de uma turbina?

Nas máquinas das usinas termelétricas atuais, como nas primeiras a vapor, o movimento é obtido pelo vapor de água a alta pressão, transforma a energia interna do vapor de água ou de um gás em energia de movimento de uma turbina.

 

                                             

Atividades:

1) Julgue cada uma das afirmativas em verdadeira (V) ou falsa (F):

a) Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho. (    )

 b) As máquinas térmicas foram e são utilizadas no transporte de cargas e passageiros, na geração de energia elétrica, em máquinas agrícolas, impressão de jornais, indústrias etc. (    )

 c) Quem fornece energia interna para o vapor de água em uma locomotiva a vapor pode ser o carvão ou a lenha quando queimados. (     )

 d) Nas usinas termelétricas parte da energia mecânica da água é transformada em energia térmica da turbina. (    )

 e) Em uma locomotiva, que utiliza o carvão mineral como combustível, a energia química do carvão é transformada em energia interna do vapor de água e em energia de movimento. (    )

 

2) Em qual dos itens abaixo a seguir a máquina a vapor não foi ou não é utilizada?

    (A) Indústria de tecelagem

    (B) Embarcação

    (C) Máquina agrícola

    (D) Usina hidrelétrica

 

3) Em uma locomotiva que utiliza carvão mineral como combustível a energia:

     (A) de movimento do carvão é transformada em energia interna do vapor de água e em energia de movimento.
     (B) cinética do carvão é transformada em energia interna do vapor de água e em energia de movimento.
     (C) química do carvão é transformada em energia interna do vapor de água e em energia de movimento.
     (D) mecânica do carvão é transformada em energia interna do vapor de água e em energia de movimento.
     (E) solar é formada em energia interna do vapor de água e em energia de movimento.

  

4) Nas usinas termelétricas atuais que utilizam movimento de turbina se obtém esse movimento da seguinte forma:

     (A) Parte da energia interna de um gás é transformada em energia cinética da turbina.

     (B) Parte da energia cinética da água é transformada em energia potencial da turbina.

     (C) Parte da energia potencial da água é transformada em energia potencial da turbina.

     (D) Parte da energia mecânica da água é transformada em energia térmica da turbina.

Pesquisa Google:

1) Num motor de um automóvel é possível dizer que funciona um mecanismo de máquina térmica? Explique.

2) Como é o funcionamento mecânico de um calorímetro?

Aprofunde-se:

Você conhece alguma máquina à vapor?

Eu conheci o trem denominado Maria Fumaça, mas não exatamente na época que ele era usado como meio de transporte. Conheci como uma relíquia, um passeio turístico.

 

São exemplos de máquinas térmicas, além da Maria Fumaça, os motores de combustão interna usados atualmente nos automóveis.

Esses você conhece, não?

O funcionamento das máquinas térmicas baseia-se na transformação de energia térmica em energia mecânica.

As primeiras máquinas térmicas usavam o vapor de água produzido em caldeiras como combustível para gerar movimento e realizar trabalho como, por exemplo, girar uma roda d’água ou as rodas de um trem.

Já as máquinas térmicas de combustão interna têm como base os gases gerados durante a queima do combustível. De forma geral, a queima do combustível gera energia que é transferida para o gás. Esse gás então se expande realizando trabalho, enquanto sua temperatura diminui.

Nesse processo tanto a energia interna, quanto o trabalho realizado dependem da quantidade de calor que é transferida para o gás.

Foi a busca do aumento da eficiência dessa transferência que alavancou o desenvolvimento dessas máquinas.

As máquinas térmicas que usavam carvão foram muito importantes na história, pois foram as precursoras de tantas outras.

Vamos agora ver a evolução delas.

Máquinas a vapor

A primeira máquina térmica que se tem registro é a máquina de Heron, que consiste em uma esfera oca de cobre com dois canudinhos de cobre torcidos.

A esfera de Heron continha água em seu interior que, quando aquecida, saia pelos canudinhos em forma de vapor fazendo a esfera girar.

 

A máquina de Heron foi encontrada nos registros do século I a.C. e parecia funcionar apenas como equipamento de entretenimento.

O segundo registro encontrado é datado de 1629 - uma vasilha preenchida com água que possuía um cano aberto para saída do vapor gerado (algo parecido com uma chaleira).

Ao ser aquecida, o vapor gerado saída pelo cano e movia uma roda com pás.

Em 1690 o vapor foi utilizado pela primeira vez para movimentar um êmbolo dentro de um cilindro – a base de funcionamento das máquinas térmicas atuais.

Por volta de 1712 uma nova máquina térmica foi desenvolvida. Ela possuía uma viga (como uma gangorra, o brinquedo dos parques infantis) e era utilizada para retirar água das profundezas ou para subir cargas pesadas.

Ainda hoje esse tipo de estrutura é usada para retirar petróleo das profundezas. Elas são conhecidas como cavalos.

 

Os problemas dessas primeiras máquinas era a baixa eficiência; elas consumiam muito carvão para aquecer a água de modo a realizarem o trabalho desejado.

Em 1765, James Watt introduziu nas máquinas um condensador que minimizava as perdas de calor, aumentando o rendimento do carvão em três vezes – um enorme passo no aumento da eficiência.

Assim as máquinas passaram a ser usadas também para a movimentação de tornos e de moinhos, substituindo a tração animal.

James Watt costumava expressar a potência de suas máquinas em unidades HP ou horse power (literalmente força do cavalo) para facilitar a comparação com o tipo de tração usado até aquele momento e aumentar a compreensão de suas capacidades de realizarem trabalho.

Hoje a potência é expressa em watts em sua homenagem, apesar de o HP ser ainda usado em alguns casos como, por exemplo, nos automóveis.

Mas vamos voltar à história das máquinas térmicas.

Os primeiros automóveis também usavam motores movidos a vapor de água, no fim do século XIX e início do século XX.

 

Hoje os motores são movidos por combustão interna, usando outras formas de combustíveis em substituição ao carvão como, por exemplo, diesel, álcool e/ou gasolina.

Os motores a vapor ainda são usados em alguns casos específicos como nas usinas termoelétricas, que produzem energia elétrica a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis como, por exemplo, carvão mineral, óleo e gás natural.