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Introdução
Uma das áreas importante da termodinâmica passa pelo estudo de máquinas térmicas. As máquinas térmicas são dispositivos capazes de converter energia térmica em energia mecânica, sendo utilizadas principalmente em meios de transporte e nas indústrias. Podemos citar como exemplo os motores de automóveis, a máquina a vapor e a turbina a vapor. É impossível imaginar nossa vida sem esses dispositivos, que a cada dia estão mais aprimorados contribuindo, assim, para a nossa qualidade de vida. As maquinas térmicas são classificadas por; Maquinas térmicas motrizes. Maquinas térmicas operatrizes. O presente trabalho aborda somente sobre as máquinas térmicas motrizes, os tipos, funcionamento, vantagens e desvantagens.
Máquinas Térmicas Motrizes
Máquinas térmicas motrizes são aquelas que transformam energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho mecânico). Estas máquinas extraem energia do fluido, ou seja, o fluido realiza trabalho sobre a máquina. Pode-se dizer que, de um modo geral, se destinam a accionar outras máquinas, principalmente geradores de energia eléctrica. As máquinas térmicas motrizes podem ser classificadas de acordo como o calor (energia térmica) é fornecido ao fluido de trabalho: Maquinas térmicas motrizes de combustão externa: S ã o aqueles onde a queima de combustível ocorre fora do motor o c a l o r é t r a n s f e r i d o p a r a o f l u i d o d e t r a b a l h o a p a r t i r d e u m a f o n t e e x t e r n a (caldeira). A turbina a vapor é um exemplo típico. Nesse caso, a queima do combustível ocorre externamente para o aquecimento da caldeira, que produz o vapor que movimenta as pás da turbina fazendo assim a aproveitamento da energia térmica convertendo em energia mecânica. Uma locomotiva a vapor, por exemplo, consiste das seguintes partes principais: Caldeira – responsável por gerar a energia (vapor); Máquinas – são os mecanismos que utilizam a energia proveniente do vapor para transformá-la em movimento mecânico; Tênder – é a parte da locomotiva onde estão armazenados o combustível e a água, elementos necessários para gerar e transferir energia. De um modo geral, o fluido de trabalho é um vapor que p o d e m u d a r d e f a s e d e n t r o d a m á q u i n a. O f l u i d o p e r c o r r e u m c i c l o m o v i m e n t a n d o - s e p a r a c i m a a f i m d e r e a l i z a r t r a b a l h o. A p ó s s o f r e r v á r i a s e v o l u ç õ e s e m diversos equipamentos regressa sempre ao estado inicial. Máquina motora de combustão interna:
Ao queimar combustível, obtém-se vapor de água, que percorre um circuito até chegar a um cilindro. Dentro do cilindro, o vapor de água empurra um pistão, que, por sua vez, ao se deslocar, move uma roda. Quando o pistão alcança o extremo do cilindro, a válvula de saída se abre, liberando o vapor, e o pistão, empurrado pela roda, retoma a sua posição inicial, atingindo a outra extremidade do cilindro. A válvula de saída, então, se fecha e a válvula de entrada volta a se abrir, fazendo com que o ciclo se inicie novamente. O efeito final obtido é o giro contínuo da roda. Locomotiva a vapor Como funciona uma locomotiva a vapor Os primeiros trens eram simplesmente vagões puxados por cavalos, utilizados principalmente em minas para transportar a matéria-prima extraída. A invenção da máquina a vapor revolucionou esse sistema de transporte. As locomotivas a vapor funcionaram até a aparição de máquinas com motor eléctrico ou a diesel, em meados do século XX. Pode-se descobrir como funciona uma locomotiva a vapor observando uma panela de pressão. Ao colocar no fogo uma panela de pressão com água, observa-se que, depois de certo tempo, a válvula da panela começa a girar. Se, nesse momento, é tirada a válvula o vapor sairá violentamente. Isso acontece porque, no interior da panela, parte da água evaporou e a pressão do vapor é muito maior que a pressão atmosférica. A locomotiva, assim como qualquer máquina a vapor, utiliza a pressão do vapor para produzir movimento. Na locomotiva, o combustível é madeira ou carvão, que se queima em um forno. A combustão esquenta uma caldeira em que há água, produzindo vapor. Como em uma panela de pressão, o vapor se encontra em alta pressão. O vapor sai, então, por um duto e chega a um cilindro, no qual entra por uma válvula de admissão. A alta pressão em que o vapor se encontra faz com que ele entre com violência e empurre o pistão que existe dentro do cilindro. Para retornar a sua posição inicial, o pistão
faz com que o vapor, que perdeu pressão, saia por uma válvula de escape. O movimento dos pistões da locomotiva se transmite para as rodas por meio de um sistema biela- manivela. A combustão nada mais é do que a reacção química entre dois reagentes ou mais, gerando a liberação de energia. O motor de combustão convencional (também conhecido como motor de explosão) funciona em quatro processos distintos, ou seja, quatro tempos. São eles: entrada de combustível e ar, compressão desses dois elementos, explosão e escapes desses gases formados no processo. Admissão: uma das válvulas do cilindro é aberta para trazer ar e combustível e o pistão desce aspirando essa mistura. Compressão: a mistura dos dois elementos é comprimida. A válvula é fechada e o pistão sobe. Explosão: a válvula permanece fechada e a mistura comprimida na câmara de combustão recebe uma faísca. Graças à expansão dos gases, o pistão desloca-se para baixo. Escape: outra válvula ligada ao escalamento é aberta e o pistão sobe, empurrando para fora os gases queimados. Também conhecida como etapa de exaustão. Os motores costumam possuir quatro cilindros, cada um localizado nas fases descritas acima. Dessa forma, sempre haverá um cilindro diferente na fase da explosão, transferindo energia para o motor. Esta denominação de motor de combustão interna é referente a motores que utilizam os próprios gases gerados na combustão como “forma” de trabalho. Esses próprios gases
O vapor de água tem sido extremamente estudado e suas propriedades foram documentadas pela IAPWS - International Association for Properties of Water and Steam. Os dados actualmente válidos podem ser vistos nos seguintes documentos: Texto Descritivo; Temperatura de Saturação; Pressão de Saturação; Água Comprimida e Vapor Super aquecido. O programa CATT2 também fornece os dados de vapor. No estudo da turbina a vapor utilizam-se normalmente diagramas de duas das seis propriedades termodinâmicas mencionadas acima. Os mais comuns são: Diagrama Temperatura x Entropia; Diagrama Entalpia x Entropia - Mollier. Ciclo de Rankine O ciclo Rankine baseia-se em quatro processos termodinâmicos: Bombeamento adiabático na bomba - 1 a 1´; Transformação da água em vapor a pressão constante na caldeira - 1´ a 3; Expansão adiabática na turbina - 3 a 4; Condensação do vapor a pressão constante no condensador - 4 a 1. É importante observar que os pontos 1 e 2 estão exageradamente separados no diagrama T x S porque o bombeamento adiabático não produz variação de temperatura nem variação de entropia. Isto significa que, no diagrama TxS, os pontos 1 e 1´ são exactamente os mesmos. O rendimento térmico do ciclo Rankine é dado por:
Onde: wliq é o trabalho líquido executado; qH é o calor fornecido ao sistema; qL é o calor retirado do sistema; wt é o trabalho realizado pela turbina; wb é o trabalho realizado pela bomba. Considerando que: Onde: hi é a entalpia no estado i. O rendimento térmico do ciclo Rankine será dado por: No ciclo Rankine ideal, a temperatura média de rejeição de calor é constante e igual à temperatura de condensação. No entanto, a temperatura média de fornecimento de calor é
Máquina térmica Em termodinâmica, é aquela integrada num sistema que realiza a conversão de calor (energia térmica) em trabalho mecânico. Isto se dá quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa temperatura para um estado de temperatura mais alta. A substância de trabalho (normalmente gás ou vapor em expansão térmica) transfere essa energia através de sua expansão no interior da máquina térmica accionando o sistema mecânico (pistão, rotor ou outro) e realizando trabalho. Durante essa expansão, a substância de trabalho perde calor para o meio. O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor: Onde e são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria. Apesar de sua limitação de eficiência, têm uma grande vantagem que são várias formas de energia que podem ser transformadas em calor como reacções exotérmicas (como combustão), absorção de luz de partículas energéticas, fricção, dissipação e resistência. Como a fonte de calor que abastece a energia térmica da máquina pode ser gerado virtualmente por qualquer tipo de energia, estas são extremamente versáteis e como enorme gama de aplicação. Máquinas térmicas são usualmente projectadas utilizando um modelo padrão, como o Ciclo Otto. O modelo teórico pode ser refinado e ampliado com dados reais de um motor em funcionamento, usando ferramentas como um diagrama indicador. Desde que o modelo padrão foi criado, poucas mudanças foram implementadas, podendo-se dizer que um ciclo termodinâmico é um caso ideal de um motor mecânico. Em termos gerais, quanto maior for a diferença na temperatura entre a fonte de calor e o dissipador frio, maior é a eficiência térmica potencial do ciclo. A temperatura baixa da máquina térmica está limitada a temperatura do ambiente, ou seja, não muito inferior a 300 Kelvin. Por isso a maioria dos esforços para melhorar as eficiências termodinâmicas das máquinas térmicas tem como foco o aumento da temperatura de origem, dentro dos limites dos materiais. A eficiência teórica máxima de uma máquina térmica é igual à diferença de temperatura entre as extremidades quentes e frias, dividida pela temperatura na extremidade quente, todas expressas em graus Kelvin, ou a temperatura absoluta.
Elas foram criadas há muitos anos e até hoje são utilizadas para algumas aplicações.
- Geladeira
- Locomotivas à vapor
- Barcos à vapor
- Motor a gasolina
- Turbina a vapor
- Gerador electrico
- Turbinas a querosene (impulsionam os aviões a jato)
- Motores de explosão que queimam a gasolina, álcool ou diesel
- Reactor termonuclear de uma usina atômica
- Motor de automovel etc... Muito embora possuam certa limitação no que se refere à eficiência, as máquinas térmicas possuem uma vantagem enorme se comparada com outras. A sua principal vantagem é que elas podem transformar em calor vários tipos de energia através da combustão, chamada de reação exotérmica ou, ainda, por meio da fricção, da absorção de luz de fragmentos energéticos, da resistência e da dissipação. Nesse processo, a energia é considerada versátil e pode ser aplicada de diversas formas, já que a fonte de calor, responsável pelo abastecimento das máquinas térmicas, é capaz de ser gerada potencialmente. As máquinas térmicas a partir de uma visão generalizada
Como vimos anteriormente, as máquinas térmicas funcionam por meio da troca de calor em trabalho e têm como base duas fontes divergentes de temperatura: uma quente (de onde vem o calor) e uma fria (para onde vai o calor não aproveitado). Vale lembrar que o desempenho de uma máquina de calor nunca chaga a 100%. Ou seja, elas não são capazes de transformar todo o calor em trabalho. Confira alguns exemplos de máquinas térmicas.
- Motor a combustão: habitualmente relacionado aos automóveis, o motor a combustão é classificado como uma máquina térmica capaz de converter em trabalho a fonte de calor, ou seja, a energia térmica;
- Motor a vapor: é encontrado na locomotiva a vapor ou Maria Fumaça, popularmente conhecida assim em função da fuligem e do vapor que soltava no primeiro vagão. Permite a sua classificação como máquina térmica porque tem relação com o vapor que age diretamente no pistão, empurrando-o. Assim, é na caldeira desse equipamento que o combustível cumpre o seu papel, ou seja, é queimado;
- Geladeira: este maquinário é classificado como uma máquina térmica no que se refere ao calor desperdiçado, e não no trabalho que ele realiza. À primeira vista, esta maneira de pensar parece equivocada, já que o que vimos até aqui é que uma máquina térmica se caracteriza como tal a partir do trabalho que realiza, ou seja, a conversão de calor em trabalho e não o contrário. No entanto, o método de refrigeração da geladeira se baseia no princípio de que quanto mais calor for desperdiçado, maior e mais eficaz será a sua rentabilidade.
