Máquinas térmicas são dispositivos que conseguem converter parcialmente a energia térmica, na forma de calor, em trabalho mecânico. Toda máquina térmica necessita de uma substância de trabalho, à qual a máquina transfere parte do calor absorvido por uma fonte quente, fazendo-a aquecer e esfriar de forma cíclica.
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Como funcionam as máquinas térmicas?
As máquinas térmicas operam em ciclos, isto é, a substância de trabalho usada para movê-las passa diversas vezes pelo mesmo estado de pressão, volume e temperatura. Além disso, toda máquina térmica tem um reservatório térmico quente e um frio, para onde uma parte da energia térmica é dissipada. Por menor que seja a quantidade de energia dissipada durante o funcionamento desse tipo de equipamento, seu rendimento nunca será igual a 100%, uma vez que essa situação violaria a terceira lei da Termodinâmica.
A máquina térmica com maior rendimento possível é a máquina de Carnot, que é um artefato teórico, ou seja, não existe na vida real. Sadi Carnot, pautado nas leis da Termodinâmica, conseguiu provar que nenhuma máquina térmica real, operando em um determinado intervalo de temperatura, é capaz de apresentar um rendimento superior ao obtido pela máquina de Carnot.
Nesse sentido, quando uma máquina térmica é projetada, é desejável que o seu ciclo de operação seja o mais parecido possível com o ciclo de uma máquina de Carnot.
O que se obtém do funcionamento de uma máquina térmica é o que chamamos de trabalho mecânico. Por meio da movimentação de pistões, as máquinas térmicas conseguem aproveitar uma pequena fração da energia térmica em seu interior, transformando-a em movimento. O trabalho realizado por uma máquina térmica também pode ser obtido subtraindo-se o calor absorvido pela máquina com o calor que é dissipado durante seu funcionamento.
QQ – calor fornecido pela fonte quente (cal ou J)
QF – calor dissipado para a fonte fria (cal ou J)
O rendimento da máquina de Carnot só depende das temperaturas das fontes quente e fria, em kelvin:
TF e TQ – temperatura das fontes quente e fria (K)
Para uma máquina térmica real, o rendimento é calculado de forma diferente — ele depende diretamente da quantidade de calor que a máquina absorve de sua fonte quente e da quantidade de calor que a máquina dissipa para a fonte fria. Observe:
O rendimento das máquinas térmicas reais também pode ser calculado com base na quantidade de trabalho que a máquina consegue realizar dividida pela quantidade total de calor que ela absorve.
A fim de se descobrir qual é a potência desenvolvida por uma máquina térmica, é necessário que se divida a quantidade de trabalho que a máquina produz pelo intervalo de tempo em que esse trabalho foi produzido.
P – potência da máquina (W – watts)
Δt – intervalo de tempo (s)
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Resumo sobre máquinas térmicas
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Máquinas térmicas convertem calor em trabalho mecânico.
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Máquinas térmicas operam em ciclos.
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Nenhuma máquina térmica tem 100% de rendimento.
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A máquina térmica de maior rendimento é a máquina de Carnot.
Agora que já vimos a teoria relacionada às máquinas térmicas, que tal resolver alguns exercícios?
Exercício sobre máquinas térmicas
Questão 1 — Uma máquina térmica absorve 600 cal de energia térmica proveniente de uma fonte de calor e dissipa 150 J para um sorvedouro frio. O rendimento dessa máquina é:
a) 50%.
b) 75 %.
c) 25%.
d) 67,5%.
Resolução:
Para descobrirmos o rendimento dessa máquina térmica, basta utilizar a fórmula que relaciona o calor absorvido com o calor dissipado.
Questão 2 — O rendimento de uma máquina térmica real é de 20%. Sabendo que essa máquina realiza 5 kJ de trabalho a cada ciclo, determine qual é a quantidade total de energia térmica absorvida pela máquina durante um ciclo completo.
a) 10 kJ
b) 15 kJ
c) 25 kJ
d) 100 kJ
Resolução:
Para responder ao exercício, é necessário perceber que um rendimento de 20% equivale a 0,2. Depois disso, basta fazer o cálculo a seguir:
Questão 3 — Uma máquina térmica apresenta uma potência de 2,5 kW e cada ciclo dessa máquina tem a duração de 0,1 s. O trabalho desenvolvido após 600 ciclos de operação será igual a:
a) 150 kJ.
b) 300 kJ.
c) 175 kJ.
d) 55 kJ.
Resolução:
Para resolver o exercício, basta usarmos a fórmula da potência, que relaciona o trabalho com o intervalo de tempo. Além disso, é preciso utilizar o tempo total de operação da máquina.