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.

Thomas Newcomen

Inventor, ferreiro e mecânico inglês nascido em Dartmouth, Devon, England, que a partir do aperfeiçoamento do modelo de Thomas Savery, de quem era sócio, criou (1712) uma nova máquina a vapor para drenagem de minas, denominada de pistão de Newcomen. Essa máquina possuía uma viga horizontal à semelhança de uma gangorra, da qual pendiam dois êmbolos, um em cada extremidade. Um êmbolo permanecia no interior de um cilindro e quando o vapor penetrava no cilindro, forçava o êmbolo para cima e acarretava a decida de outra extremidade. Borrifava-se água fria no cilindro, o vapor se condensava e o vácuo sugava o êmbolo de novo para baixo. Isto elevava o outro extremo da viga, que se ligava ao êmbolo de uma bomba na mina. Assim fez combinar o pistão como um meio de aproveitar tanto a expansão do vapor, na subida, com o vácuo repentino devido à condensação do vapor, na descida. Este seu invento foi um marco na revolução industrial e serviu de base histórica para a mecanização de toda a indústria. Com sua engenhosidade criou uma máquina a vapor como um engenho prático, suficientemente poderoso para garantir muitas minas inglesas contra inundações. Durante cinqüenta anos que se seguiram, sua máquina foi usada para bombeamento, sempre que não havia energia hidráulica à disposição. Porém sua principal inviabilização para outros propósitos era seu grande consumo de combustível. Com seu assistente bombeiro John Calley ou Cawley (?-1717), tornaram-se os precursores da máquina a vapor, ao pesquisarem sobre o assunto por mais de dez anos. Ambos desenvolveram um novo conceito: o uso de um conjunto cilindro-pistão para o bombeamento de água, constituindo a primeira máquina térmica, pois seu funcionamento era cíclico. Morreu em Londres deixando a idéia básica até nos dias de hoje.

OBS: Foi Heron, um matemático e físico que viveu na Alexandria, Egito, que descreveu a primeira máquina à vapor conhecida (120 a.C.). A máquina consistia em uma esfera metálica, pequena e oca montada sobre um suporte de cano proveniente de uma caldeira de vapor. Dois canos em forma de L eram fixados na esfera. Quando o vapor escapava por esses canos em forma de L, a esfera adquiria movimento de rotação. Este motor, entretanto não realizava nenhum trabalho útil. Centenas de anos depois, no séc. XVII, as primeiras máquinas à vapor de sucesso foram desenvolvidas.

Heron e o Aeolípile.

O matemático e inventor Heron viveu em Alexandria, Egito. Há pouca informação em relação a sua vida. O período preciso ao qual o Heron viveu é um ponto controverso. Baseado nos textos escritos por ele pode-se estipular que ele conhecia os trabalhos de Arquimedes, e de Philo o Bizantino, que é conhecido por ter sido um contemporâneo de Ctesibius. A única informação precisa sobre Heron é que ele era aluno de Ctesibius. O período que viveu Heron pode ser fixado a partir do conhecimento da época em Ctesibius viveu. O que leva os historiadores a estimar sem muita precisão que Heron deve ter vivido entre 70 e 150 A.C.

Em vida, Heron projetou o Aeolípile que era mais conhecido como a "Máquina de Heron" e é a precursora das máquinas a vapor, ou seja, foi a primeira máquina térmica construída na história da humanidade! O mais impressionante era que o intuito de Heron era de divertir as pessoas. O funcionamento dessa máquina pode ser explicado pela Terceira Lei de Newton, que diz: "A toda força realizada existirá uma força de reação de mesma direção, intensidade e sentido contrário".

Esta máquina funciona da seguinte maneira: como se observa, o vapor produzido na caldeira em contato com a chama passa para a esfera móvel e escapa para a atmosfera através de dois tubos recurvados. O torque dado pela reação dos vapores que escapam faz girar o globo todo. Tal máquina deve ter sido construída mais pela curiosidade 'científica' de Heron e não propriamente para dela extrair algum trabalho mecânico.

Máquinas Térmicas - Conceitos Iniciais e HIstória!

Máquinas térmicas são máquinas capazes de realizar trabalho a partir da variação de temperatura entre uma fonte fria e uma fonte quente. A grande maioria dessas máquinas retira calor de uma fonte quente, parte dele realiza trabalho e a outra parte é jogada para a fonte fria, definindo dessa forma a eficiência da máquina. Uma máquina térmica tem maior eficiência quando ela transforma mais calor em trabalho, portanto, rejeita menos calor para a fonte fria.

No século passado os cientistas estabeleceram de forma definitiva que o calor é uma forma de energia. No entanto, já na Antiguidade já se sabia que o calor pode ser utilizado para produzir vapor e este por sua vez poderia ser utilizado para realizar trabalho mecânico. Foi essa idéia que o inventor grego Heron teve no século I d.C. Heron construiu um dispositivo que era constituído por uma esfera de metal com dois furos, dos quais escapava ar quente (vapor) que era proveniente do aquecimento da água.

Hoje, em linguagem moderna, o dispositivo criado por Heron é uma máquina térmica, ou seja, um dispositivo que transforma calor em trabalho mecânico. Contudo, o dispositivo criado por Heron não foi utilizado para produzir grandes quantidades de energia mecânica. Somente no século dezoito foram construídas as primeiras máquinas capazes de realizar trabalhos em grandes escalas, ou seja, trabalhos industriais.

As primeiras máquinas do século XVIII tinham rendimentos muito baixos, ou seja, consumiam grandes quantidades de combustível e realizavam pequenos trabalhos. Foi por volta de 1770 que o inventor escocês James Watt apresentou um modelo de máquina que substituiu as máquinas que até então existiam, pois era mais eficiente e apresentava enormes vantagens. De maneira bem simplificada podemos dizer que a máquina proposta por Joule retirava calor de uma fonte quente, parte desse calor ele realizava um trabalho movendo um pistão e o restante ele rejeitava para uma fonte fria.

A máquina proposta por Watt foi empregada nos moinhos e no acionamento de bombas d’água inicialmente, mas posteriormente passou a ser empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Ela ainda passou a ser muito utilizada nas fábricas como meio para acionar dispositivos industriais, esse foi um dos fatores que motivaram a Revolução Industrial.