Evolução dos motores de F1

Por 10 anos os motores foram potentes V10 aspirados de 3.0 litros. Esses motores atingiam facilmente 22.000 rpm e mais de 1.000 hp. Em 2006 a FIA mudou as regras para melhorar a segurança dos pilotos. Hoje os motores são V8, 2 cilindros por linha em 90º, de 2.4 litros, 4 tempos, aspirados naturalmente, sem compressão e sem turbo, e com no máximo 4 válvulas por cilindro (2 de admissão e 2 de escape). O diâmetro máximo dos cilindros é 98 mm. Com dois cilindros a menos que os V10, a potência caiu 200 hp e os giros agora atingem menos de 20.000 rpm.

Os motores consomem em torno de 650 litros de ar por segundo. O aquecimento gerado durante o funcionamento chega a 100.000 BTU. No escapamento os gases saem a mais 1.000 ºC. O consumo de combustível gira em torno de 75 litros a cada 100 km, ou seja, 0,75 1,33 km por litro (e você acha que seu carro gasta muito!). Mesmo com esse consumo um motor de Formula 1 é 20% mais eficiente que um carro de passeio.


Os intercoolers, que resfriam ar antes de entrar no cilindro não são permitidos, como também a injeção de qualquer substância diferente de ar e combustível. Sistemas de exaustão com geometria variável também são proibidos. O eixo do comando de válulas e o virabrequim devem ser obrigatoriamente de aço ou ferro fundido. Compostos de carbono não podem ser utilizados no bloco do motor, no cabeçote e no pistão. Para as outras peças, apenas são permitidos o Ferro, o Alumínio e o Titânio. As ligas são

Motor ecologicamente correto

Motor a ar: a revolução
Guy Nègre, inventou um motor a ar com a capacidade de movimentar um carro a uma velocidade de até 110/130 km/h, com um custo R$ 6,00 (seis Reais) a cada 250/300 km corridos, e, além do mais, tendo a vantagem de não somente não poluir a atmosfera como, também, a de purificar o ar.

O grupo MDI - Moteur Developpement International que desenvolveu este veículo limpo foi, recentemente, apresentado em Londres, Paris e São Paulo.

Principais características
Como o veículo não tem combustão, não existe a poluição. O ar da atmosfera que é utilizado, previamente filtrado, se mistura com o ar comprimido no cilindro; isto significa que o processo purifica 90 m3 de ar atmosférico por dia. No primeiro protótipo finalizado, a autonomia revelou-se duas vezes superior à autonomia do carro elétrico mais sofisticado (entre 200 e 300 km, ou 10 horas de funcionamento). Este é um dado muito importante, porque 80% dos motoristas conduzem menos de 60 km ao dia.

O carro se carrega em apenas três minutos com um custo de, aproximadamente, R$ 6,00 (seis Reais) para percorrer entre 250 e 300 km.
Como alternativa, o carro tem um pequeno compressor à bordo que permite ser recarregado ao ser conectado à rede elétrica, num tempo que varia entre 3 e 4 horas. Devido a ausência de combustão e de resíduos, a troca de óleo (1 litro de óleo vegetal) ocorre a cada 50.000 km.
O ciclo do motor MDI

O motor MDI tem um sistema inovador muito importante: uma biela articulada. Esta técnica permite que, quando o pistão alcança o final de seu ciclo, a expansão se produz num volume constante. Esta patente poderá ser aplicada a motores de combustão convencionais.

As três fases do seu funcionamento são: a) Fase de compressão: no motor o ar atmosférico é comprimido até uma pressão de 20 bars com o pistão e fica transformado em ar quente de 400 ºC; b) Fase de injeção de ar: assim que o pistão para, o ar comprimido dos cilindros é injetado no espaço do motor onde está o ar quente; e, c) Fase de expansão: o ar é injetado criando uma maior pressão e fazendo a ativação do motor. A técnica é tão simples quanto o ovo de Colombo: o primeiro pistão absorve e comprime o ar atmosférico. O ar se desloca para a câmera esférica onde é injetado com alta pressão pelos cilindros. A expansão da mistura do ar atmosférico mais o ar comprimido move o pistão que gera a energia do veiculo.

Zero Poluição
O ar purificado que sai do cano de escapamento registra uma temperatura entre 0ºC e 30ºC negativos permitindo, assim, a sua utilização para o próprio sistema de ar condicionado do carro.

Calorimetria

A calorimetria é a parte da física que estuda os fenômenos decorrentes da transferência dessa forma de energia chamada calor.

Na natureza encontramos a energia em diversas formas. Uma delas, que é muito importante, é o calor. Para entendê-lo, pense em uma xícara de café quente sobre a sua mesa. Após algum tempo esse café estará frio, ou melhor, com a mesma temperatura que o ambiente. Esse fenômeno não é uma exclusividade da xícara de café quente, mas ocorre com todos os corpos que estão em contato de alguma forma e com temperaturas diferentes. Por que isso ocorre?

Temperatura

Os objetos na natureza, assim como nós, são feitos de pequenas partículas que conhecemos como moléculas. Com elas ocorre algo invisível. Elas estão em constante estado de agitação, no caso dos sólidos, ou de movimentação, como ocorre em líquidos ou gases. Essa situação não é constante, elas podem estar mais ou menos agitadas, dependendo do estado energético em que elas se encontram.

O que se observa é que quanto mais quente está o corpo, maior é a agitação molecular e o inverso também é verdadeiro, ou seja, a temperatura é uma grandeza física que está associada de alguma forma ao estado de movimentação ou agitação das moléculas.



A temperatura no recipiente 2 é maior do que no recipiente 1, pois lá a movimentação molecular é maior.



A temperatura, atualmente, pode ser medida em três escalas termométricas. Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A conversão entre essas escalas pode ser feita pelas seguintes relações matemáticas:





Calor

Considere dois corpos, A e B, que possuem temperaturas diferentes e estão em contato térmico, como ilustra a figura abaixo:





Após algum tempo, observamos que esses dois corpos encontram-se com a mesma temperatura. O que estava com maior temperatura esfriou e o que estava com menor temperatura esquentou. Quando isso ocorre, dizemos que os corpos estão em equilíbrio térmico e a temperatura final é chamada de temperatura de equilíbrio.

Isso acontece porque o corpo de maior temperatura fornece certa quantidade de energia térmica para o outro de menor temperatura. Essa energia térmica quando está em transito de um corpo para outro é denominada calor.


Capacidade térmica e calor específico sensível

Os corpos e as substâncias na natureza reagem de maneiras diferentes quando recebem ou cedem determinadas quantidades de calor. Alguns esquentam mais rápido que os outros. Podemos exemplificar isso com a seguinte situação: você está com fome e pretende fazer um macarrão instantâneo.

Para isso, primeiramente, irá aquecer certa quantidade de água. Uma atitude inteligente a ser tomada é colocar exatamente a quantidade de água necessária para isso, pois se você colocar a água em demasia, irá demorar mais tempo para ela chegar à temperatura desejada, além do fato de que o macarrão irá parecer mais uma sopa. Mas, independentemente do resultado final da atividade culinária, o importante para nós é observar que quanto mais água houver na panela, maior será a quantidade de calor necessária para se atingir a temperatura desejada e por isso ela terá uma capacidade térmica maior.

Podemos, então, concluir que a capacidade térmica depende diretamente da massa do corpo e, portanto, pode ser calculada da seguinte forma:

C = c*m

Onde c é o calor específico sensível da substância de que o corpo é constituído. O calor específico pode ser definido como a capacidade térmica por unidade de massa e é uma característica da substância de que o material é feito.

Observe que estamos falando de uma mesma substância, a água, que quando possui massas diferentes, possui capacidades térmicas diferentes, ou seja, a capacidade térmica é uma propriedade do corpo, e isso é aplicado a outras substâncias na natureza.

Ciclo de Carnot

Em 1824, o cientista Carnot idealizou uma máquina térmica que proporcionaria um rendimento máximo. O Ciclo de Carnot consiste de duas transformações adiabáticas alternadas com duas transformações isotérmicas, sendo que todas elas seriam reversíveis.

Devemos conceber uma máquina térmica onde o gás sofra expansões e compressões segundo o Ciclo de Carnot e onde T1 seja a fonte quente e T2 a fonte fria.





Partindo de A, o gás realiza uma expansão isotérmica AB, recebendo calor de Q1 ( fonte quente). A seguir, ocorre a expansão adiabática BC, durante a qual não há troca de calor. A compressão isotérmica CD se verifica à temperatura T2 da fonte fria, e nesta etapa o gás “rejeita” a quantidade Q2 que não foi transformada em trabalho. A compressão adiabática DA se completa sem a troca de calor.

É possível, para este experimento constatar que : Q1/T1 = Q2/T2

assim como o rendimento pode ser descrito como n = 1-(Q2/Q1)

Então para o Ciclo de Carnot temos que o rendimento é função exclusiva das temperaturas absolutas das fontes quentes e fria.

n = 1-(T2/T1), este é o rendimento máximo de uma máquina térmica, e como nunca podemos ter T1 = 0 e |T2| > |T1| constatamos que uma máquina térmica jamais terá rendimento de 1 ou seja transformar todo o calor fornecido em trabalho.

Refrigeradores

Um refrigerador funciona sobre dois conceitos científicos: o primeiro, razoavelmente simples, é o fenômeno físico da convecção térmica dos fluidos -no caso o ar que está dentro da geladeira. Repare que, no caso das geladeiras convencionais, o freezer fica sempre na parte superior. No compartimento logo abaixo, separado do congelador, existe uma outra placa que também fica na parte superior.

Esta disposição de componentes não é arbitrária. Ela foi definida no conceito de convecção térmica dos gases, que postula que o ar frio, mais pesado, tende a descer e o ar quente, mais leve, tende a subir. Assim, o ar quente que sobe é resfriado pela placa e o ar frio que desce ganha calor na parte inferior da câmara de refrigeração. O ar frio volta a descer e o ciclo se repete.

E como existe uma pequena porém sensível diferença de temperatura entre as partes superior e inferior das geladeiras, as gavetas para legumes e verduras são alocadas na parte inferior, cuja temperatura é sempre ligeiramente mais alta, e a parte superior é destinada a bebidas, bolos e outros produtos do gênero. Isso porque as bebidas precisam estar mais geladas, porém as folhas das verduras são sensíveis a temperaturas mais baixas.

Mas por que, afinal de contas, o ar frio desce e o ar quente sobe? De acordo com os princípios termodinâmicos, o aumento de temperatura sobre uma massa gasosa provoca sua expansão, ou seja, aumento de volume. Imagine que a massa de ar dentro da geladeira seja constante. No momento em que você ligou a geladeira, a temperatura desse ar era igual à do ambiente externo, e ocupava um certo volume. Porém quando foi resfriado, contraiu-se e passou a ocupar um volume menor.

Sabe-se que densidade do materiais é a razão de sua massa por seu volume. Quando aquela mesma massa de ar (constante) contraiu, sua densidade foi aumentada de um certo valor, e tornou-se, assim, mais "pesada". Então, dentro da geladeira, o ar mais frio e pesado empurra o ar mais quente e leve para cima enquanto desce, gerando um movimento repetitivo de circulação - a convecção térmica.

Mas como as placas do freezer e da geladeira se esfriam? É aí que entra o segundo conceito científico, este um pouco mais complicado e estritamente termodinâmico.

O calor é uma forma de energia que flui através dos corpos de acordo com certas leis termodinâmicas. Uma destas leis diz que o calor nunca fluirá de um corpo mais frio para o mais quente, quando estiverem em contato; ou seja, a natureza é extremamente social! Quem tem (calor) dá para quem não tem!

Ora, sabe-se que se os alimentos forem colocados na geladeira à temperatura ambiente, e mesmo o ar interno de convecção está inicialmente em equilíbrio com o meio externo. Então, de acordo com a "lei social" deve-se fazer com que o calor flua dos alimentos e do ar para um outro corpo mais frio. Pronto, agora sabemos o porque devem-se resfriar as placas...

Mas COMO as placas esfriam!?

As placas são esfriadas pela passagem, em tubulações "friamente" calculadas, de certos tipos de gases, comumente denominados de "gases freom". Existem vários tipos de freons, sendo que os derivados de clorofluorcabonados vêm sendo substituídos por outros, como CO2 ou amônia, entre outros, devido a seus efeitos danosos à camada de ozônio, que protege a Terra dos raios UV vindos do sol.

Estes gases retiram calor das vizinhanças com as quais estão em contato de acordo com o efeito Joule-Thomson, que recebeu este nome em homenagem a seus descobridores, Sir Joule e William Thomson (mais tarde conhecido como Lorde Kelvin). O efeito Joule-Thomson explica como a temperatura varia quando um gás liquefeito se expande e volta ao estado gasoso, mantendo-se a entalpia do sistema constante.

De maneira mais elegante, o efeito Joule-Thomson é a diferencial da temperatura pela pressão de um gás liquefeito (dT/dP) em expansão adiabática (sem trocas de calor com o ambiente externo), mantendo-se a entalpia constante.

Para demonstrar este efeito Joule e Thomson realizaram o seguinte experimento: deixaram um gás expandir de um ambiente sob pressão constante para outro, passando por uma membrana porosa, e monitoraram a diferença de temperatura que ocorria com a expansão. Todo o aparato foi preparado de forma que o processo fosse adiabático. Eles observaram uma temperatura menor no lado de menor pressão, e a diferença de temperatura era proporcional à diferença de pressão entre as câmaras.

A diferença de pressão, entretanto, deve ser calculada para cada tipo de gás, pois sob determinados valores o efeito Joule-Thomson pode comportar-se de maneira inversa à desejada, ou seja, aquecer ao invés de resfriar.

Mas ainda resta uma última dúvida cabal quanto ao funcionamento desse instrumento relativamente simples: o gás absorveu calor ao expandir, retirando-o das vizinhanças. Para onde vai esse calor?

Ora, quando o gás expande, recolhe calor. Quando ele é novamente comprimido, deve perder o calor que absorveu. E é exatamente o que ocorre. Atrás dos refrigeradores existe um trocador de calor - uma grade por onde passam tubulações de gás comprimido - que devolve ao ambiente externo todo o calor que o gás retirou de dentro da geladeira. Se não existisse esse trocador de calor, em dado momento teríamos um forno, e não um refrigerador!

Então, a função do motor que fica atrás da geladeira é comprimir novamente o gás após a expansão, tornando-o liquefeito. Depois o gás liquefeito passa novamente pela válvula de descompressão e todo o processo se repete. Nota-se, então, que o circuito por onde este gás passa é dividido em duas zonas distintas: uma quente, sob relativa alta pressão, e uma fria, de baixa pressão.

O acionamento do motor para compressão e descompressão do gás é feito através de um aparelho chamado termostato - que é precisamente um regulador automático de temperatura. Mas como este dispositivo funciona já é outra história...

A Máquina a Vapor

É a denominação dada a qualquer motor que funcione pela transformação de energia térmica em energia mecânica através da expansão do vapor de água. A pressão adquirida pelo vapor é utilizada para deslocar êmbolos que permite o movimento das rodas de potentes locomotivas. Pode ainda ser empregada, pela transformação em energia cinética, ou energia de movimento, em imensas turbinas que impulsionam geradores elétricos e gigantescos transatlânticos. Bombas, bate-estacas e muitas outras máquinas são comandadas por máquinas à vapor.


O desenvolvimento da máquina à vapor no século XVIII contribuiu para a expansão da indústria moderna. Até então, os trabalhadores era executados na dependência exclusiva da potência dos músculos dos operários e da energia animal. Do vento ou da água. Uma única máquina à vapor realizava o trabalho de centenas de cavalos. Fornecia a energia necessária para acionar todas as máquinas de uma fábrica. Uma locomotiva à vapor podia deslocar cargas pesadas a grandes distância em um único dia. Os navios à vapor ofereciam transporte rápido, econômica e seguro.


Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho. Uma máquina à vapor possui uma fornalha, na qual se queima carvão , óleo, madeira ou algum outro combustível para produzir energia calorífica. Em uma usina atômica um reator funciona como uma fornalha e a desintegração dos átomos gera o calor. Uma máquina à vapor dispõe de uma caldeira. O calor proveniente da queima de combustível leva a água a transformar-se, e ocupa um espaço muitas vezes maior que o ocupado pela água.


As primeiras máquinas a vapor operavam utilizando-se mais da propriedade de o vapor condensar-se de novo em líquido do que de sua propriedade de expansão. Quando o vapor se condensa, o líquido ocupa menos espaço que o vapor. Se a condensação tem um lugar em um recipiente fechado, cria-se um vácuo parcial, que pode realizar trabalho útil.

motor quatro tempos

Ciclo mecânico Considerando o uso de apenas duas válvulas que são comandadas pelos ressaltos de árvore de cames, uma designada por válvula de admissão (à direita na animação), que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e outra designada como válvula de escape (à esquerda na animação), que permite a expulsão para a atmosfera dos gases queimados, o ciclo de funcionamento de um motor de combustão a 4 tempos é o seguinte: 1.Com o êmbolo (também designado por pistão) no PMS (ponto morto superior) é aberta a válvula de admissão, enquanto se mantém fechada a válvula de escape. A dosagem da mistura gasosa é regulada pelo sistema de alimentação, que pode ser um carburador ou pela injecção electrónica, em que se substitui o comando mecânico destes sistemas por um electrónico e conseguindo-se assim melhores prestações, principalmente quando solicitadas respostas rápidas do motor. O êmbolo é impulsionado para baixo pelo veio de manivelas (virabrequim), move-se então até ao PMI (ponto morto inferior). A este passeio do êmbolo é chamado o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admissão. 2.Fecha-se nesta altura a válvula de admissão, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que é agora comprimida pelo pistão, impulsionado no seu sentido ascendente em direcção à cabeça do motor pelo veio de manivelas até atingir de novo o PMS. Na animação observa-se que durante este movimento as duas válvulas se encontram fechadas. A este segundo passeio do êmbolo é chamado o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compressão. 3.Quando o êmbolo atingiu o PMS, a mistura gasosa que se encontra comprimida no espaço existente entre a face superior do êmbolo e a cabeça do motor, denominado câmara de combustão, é inflamada devido a uma faísca produzida pela vela e explode. O aumento de pressão devido ao movimento de expansão destes gases empurra o êmbolo até ao PMI, impulsionando desta maneira o veio de manivelas e produzindo a força rotativa necessária ao movimento do eixo do motor que será posteriormente transmitido às rodas motrizes. A este terceiro passeio do êmbolo é chamado o terceiro tempo do ciclo, tempo de explosão, tempo motor ou tempo útil, uma vez que é o único que efectivamente produz trabalho, pois durante os outros tempos, apenas se usa a energia de rotação acumulada no volante (solidário com o veio), o que faz com que ele ao rodar permita a continuidade do movimento do veio de manivelas durante os outros três tempos. 4.O cilindro encontra-se agora cheio de gases queimados. É nesta altura, em que o êmbolo impulsionado pelo veio de manivelas retoma o seu movimento ascendente, que a válvula de escape se abre, permitindo a expulsão para a atmosfera dos gases impelidos pelo êmbolo no seu movimento até ao PMS, altura em que se fecha a válvula de escape. A este quarto passeio do êmbolo é chamado o quarto tempo do ciclo, ou tempo de exaustão(escape). Após a expulsão dos gases o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita.

Motor dois tempos

Motor a dois tempos é um tipo de motor de combustão interna de mecanismo simples. Ou seja, ocorre um ciclo de admissão, compressão, expansão e exaustão de gases a cada volta do eixo. Diferente dos motor de quatro tempos, as etapas de funcionamento não ocorrem de forma bem demarcada, havendo admissão e exaustão de gases simultaneamente, por exemplo. Um tempo de funcionamento do motor é percurso do ponto morto inferior ao ponto morto superior da trajetória do pistão. Assim, um tempo equivale a meia volta do eixo de manivelas. No caso, chama-se o primeiro tempo de compressão e admissão, o segundo, de escape e transferência de calor. Em termos tecnológicos há dois extremos. Mecanismo Motor a dois tempos, sem válvulas, de ignição por faísca. Motores de pequenino porte, a 2 tempos, não utilizam o cárter como depósito de óleo. A lubrificação obtém-se adicionando óleo diretamente ao combustível, na proporção típica de 1 volume de óleo para 40 de combustível, ou com a utilização de algum dispositivo de lubrificação automática, como o Lubrimat dos automóveis DKW ou o Autolub de algumas motocicletas. Durante a combustão, o óleo contido no combustível deposita-se nas superficies metálicas lubrificando os elementos a medida em que passa da câmara de combustão para o cárter. Estes motores freqüentemente não possuem válvulas propriamente ditas, têm duas janelas na parede da câmara de combustão, para comunica-la com o exterior e o cárter: A janela de admissão, por onde vai ser introduzida a mistura gasosa formada pelo ar e pelo combustível. A janela de comunicação entre o cilindro e o cárter, à qual também se dá o nome de "transfere"; A janela de escape, colocada na parte superior do cilindro e que faz a comunicação deste com o exterior, permitindo a saída dos gases queimados provenientes da combustão; O funcionamento ocorre conforme a seguinte seqüencia: 1.À medida que ocorre o movimento ascendente do êmbolo, este obstrui as janelas, e em seguida comprime a mistura gasosa existente na parte superior do cilindro. 2.Ao mesmo tempo cria-se um vácuo no cárter, que força a admissão de ar atmosférico no interior do mesmo. 3.Quando o êmbolo atinge o ponto morto superior dá-se a ignição, devido à libertação da faísca na vela. Os gases pressionam o pistão em direcção ao ponto morto inferior, produzindo assim trabalho, movimentando a cambota. Durante esta etapa, o êmbolo libera a janela de escape possibilitando a saída dos produtos de combustão. 4.Próximo ao ponto morto inferior, o pistão abre a janela de transferência. Ao mesmo tempo, seu movimento descendente pressuriza o carter, forçando a nova mistura a penetrar na câmara o que também contribui na exaustão de gases de combustão. Ao término desta fase o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita.

Máquinas Térmicas e Refrigeração

Máquinas Térmicas e Refrigeração

A Turbina é um tipo de Máquina Térmica que utiliza a energia de combustão externa de uma caldeira geradora de vapor, sob forma de energia termodinâmica. A Turbina transforma em energia mecânica a energia contida no vapor, sob a forma de energia térmica e de pressão. O elemento básico da turbina é o rotor, que conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo-o girar. Essa energia mecânica criada é impulsionada através de um eixo para transferir movimento a uma máquina, um compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como hidráulicas ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas. A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes. Uma série favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na comparação com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás. O ponto principal entre estas características, é que a energia térmica gerada para acionar as turbinas, utiliza uma fonte de energia onde o ciclo reaproveita parte da energia gerada, sob forma de fluido condensado, resultante do choque térmico existente entre o vapor e a tubulação que o transporta. Componentes Básicos ESTATOR É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia termodinâmica do vapor em energia mecânica através dos distribuidores. ROTOR É o elemento móvel da turbina, cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos. É o elemento propulsor do movimento para as máquinas que serão acionadas pela turbina. EXPANSOR É o órgão cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser convergentes ou convergentes divergentes, conforme sua pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina, e conseqüentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação. PALHETAS São chamadas palhetas móveis, as que são instaladas no rotor; e fixas, as instaladas no estator. As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaça), ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis são peças com a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo malhete e, ao contrário das fixas, são removíveis. TIPOS E APLICAÇÕES As turbinas a vapor são partes de um sistema gerador de energia de combustão externa. As instalações de potência com turbina a vapor visam, fundamentalmente, obter energia elétrica ou mecânica e vapor para processo industrial. Basicamente, as centrais a vapor são plantas transformadoras de energia, ou seja, elas transformam: Energia Termodinâmica. Energia Mecânica Energia Elétrica A geração de energia elétrica pode ser através de centrais termelétricas convencionais ou nucleares e a geração de energia mecânica tem a finalidade básica de acionar máquinas rotativas, como bombas centrífugas, compressores centrífugos e axiais, ventiladores, etc. As condições (temperatura e pressão) do vapor em uma turbina variam com as necessidades de cada aplicação, tendo como limite superior condições em torno de 306 atm e 650ºC.

Aplicação da 1ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas

Muitas máquinas têm como objectivo a realização de trabalho, e para o conseguir, utilizam energia que é, muitas vezes, recebida pela máquina sob a forma de calor. As máquinas que recebem energia sob a forma de calor de modo a poderem realizar trabalho, designam-se por máquinas térmicas.

Uma máquina térmica, como o modelo de funcionamento de um motor de um automóvel, é um sistema que executa uma transformação cíclica, isto é, a máquina térmica passa periodicamente pelo mesmo estado. Como os estados inicial e final de um ciclo são os mesmos, a energia interna nesses estados é igual, e assim, a variação de energia interna ao fim de um ciclo é nula.

Deste modo, aplicando a 1ª lei da termodinâmica a uma máquina térmica ao fim de um ciclo:

Segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho realizado por uma máquina térmica sobre o exterior (o sinal negativo significa que a máquina realiza trabalho sobre os arredores), é igual à energia recebida sob a forma de calor absorvida por ela.

Por exemplo, num motor de explosão de um automóvel, a energia obtida sob a forma de calor na câmara de combustão devido à explosão da mistura de ar e gasolina, causa a expansão dessa mistura gasosa. Esta expansão empurra um pistão ou êmbolo, realizando trabalho sobre o exterior. De seguida, os gases resultantes da combustão são expelidos para o exterior, entrando novamente para a câmara uma mistura de ar e gasolina, e todo o processo volta a repetir-se, ou seja, é um processo cíclico.

O movimento do êmbolo ou pistão, a que equivale uma certa quantidade de trabalho, apenas acontece porque se fornece energia ao motor e, segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho efectivo realizado por uma máquina térmica não pode ser superior à energia recebida sob a forma de calor.

Na realidade, o trabalho realizado é sempre inferior à energia recebida sob a forma de calor, isto é, nem toda essa energia recebida é usada para realizar trabalho. Por exemplo, parte da energia recebida pela máquina sob a forma de calor provoca o aumento da temperatura da máquina (que depois é preciso arrefecer).

Designa-se por máquina de movimento perpétuo de primeira espécie, um tipo de máquina térmica que realiza trabalho efectivo sem que o sistema receba energia, no entanto, a 1ª lei da termodinâmica não permite que tal máquina exista. Qualquer máquina só pode transformar energia, recebida sob a forma de calor em energia cedida sob a forma de trabalho, e nunca pode criar energia a partir do nada.

Motor de combustão interna

Motor de combustão interna - é uma máquina térmica, que transforma a energia proveniente de uma reação química em energia mecânica. O processo de conversão se dá através de ciclos termodinâmicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.

São considerados motores de combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho. Ou seja, são estes gases que realizam os processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão e finalmente exaustão.Assim, este tipo de motor distingui-se dos ciclos de combustão externa, nos quais os processos de combustão ocorrem externamente ao motor. Neste caso, os gases de combustão transferem calor a um segundo fluido que opera como fluido de trabalho, como ocorre nos ciclos Rankine.

Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes dadissociação de gás nitrogênio.

Aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas

Segundo o postulado de Lord Kelvin, é impossível transformar em trabalho toda a energia sob a forma de calor extraída de uma única fonte, logo, a fracção de energia sob a forma de calor que não é utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior.

Assim, as máquinas térmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de energia sob a forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espontaneamente da fonte quente, isto é, a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte com temperatura inferior.

Por exemplo, na máquina a vapor, um cilindro move-se devido à expansão do gás no seu interior, causada pela energia proveniente do aquecimento de água numa caldeira (fonte de energia sob a forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia não é transformada em trabalho, e passa por condução térmica para os arredores da máquina (fonte com temperatura inferior).

O princípio de funcionamento de uma máquina térmica pode ser esquematizado pela figura 1:

Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica.

Deste modo, o trabalho fornecido pela máquina é igual à diferença entre as quantidades de energia sob a forma de calor trocadas:

W = |Q_q| = |Q_f|

Rendimento das máquinas térmicas

Um dos principais objectivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o trabalho que a máquina fornece, W, e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente, Q_q, e sem o qual ela não poderia funcionar.

Como o quociente entre Q_c e Q_q tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Q_c fosse nulo, isto é, se a máquina não transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1.

No entanto, não é possível construir máquinas térmicas onde, ciclicamente se transforme toda a energia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2ª lei da termodinâmica.

Fig. 2 - Esquema de uma máquina térmica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica.