Máquinas térmicas estão por trás de diversos avanços tecnológicos da sociedade moderna. Elas são essenciais para o funcionamento de motores, usinas e até refrigeradores, transformando calor em trabalho mecânico com base em leis fundamentais da Termodinâmica.
Entender seu funcionamento e os diferentes ciclos é indispensável para quem busca uma preparação sólida para os vestibulares e o ENEM, onde temas de física aplicada costumam ser cobrados com frequência.
O que você vai ler neste artigo:
Fundamentos das máquinas térmicas
As máquinas térmicas transformam energia térmica em trabalho mecânico por meio de um ciclo termodinâmico. Esse processo requer dois elementos: uma fonte de calor (fonte quente) que fornece energia ao sistema e um sorvedouro térmico (fonte fria) para onde parte desse calor é dissipada.
Há também uma substância de trabalho, geralmente um gás, que se expande e se contrai no interior de cilindros ou câmaras, realizando trabalho útil, como o movimento de um pistão, que pode, por exemplo, impulsionar veículos ou gerar eletricidade.
Embora o objetivo seja aproveitar o máximo da energia fornecida, nenhuma máquina térmica possui 100% de eficiência, pois parte do calor inevitavelmente se perde para o ambiente, como descrito na Segunda Lei da Termodinâmica.
Ciclo termodinâmico e funcionamento gráfico
Um ciclo termodinâmico define o conjunto de transformações físicas e químicas, como variações de volume, pressão e temperatura, que se repetem dentro dessas máquinas. Em geral, esses ciclos são representados em gráficos PV (pressão × volume), nos quais a área interna delimitada pelo ciclo representa o trabalho realizado pelo sistema.
- Se o ciclo aparece no sentido horário, indica uma máquina térmica produzindo trabalho.
- Se for no sentido anti-horário, temos um refrigerador, que consome trabalho e remove calor de um ambiente.
Etapas do ciclo térmico
- Recebimento de calor (Q₁)da fonte quente.
- Realização de trabalho (τ)pelo sistema, geralmente associado ao deslocamento de componentes mecânicos.
- Liberação de calor (Q₂) para a fonte fria.
Segundo a Primeira Lei da Termodinâmica:
Q₁ = τ + Q₂
Rendimento das máquinas térmicas
O desempenho energético de uma máquina térmica é expresso por seu rendimento (η), que mede a eficiência na conversão de calor em trabalho útil. Ele é definido pela razão entre o trabalho realizado (τ) e o calor recebido da fonte quente (Q₁). Pode ser calculado por:
η = τ / Q₁ ou η = (Q₁ − Q₂) / Q₁
Esse valor é geralmente apresentado em porcentagem. Um rendimento de 30%, por exemplo, significa que apenas 30% do calor recebido é transformado em trabalho, enquanto o restante é dissipado.
Ciclo de Carnot: o ideal teórico
Formulado por Sadi Carnot em 1824, o ciclo de Carnot representa o modelo ideal de uma máquina térmica, alcançando o máximo rendimento possível entre duas temperaturas. Esse ciclo, teórico, é composto por:
- Duas transformações isotérmicas (temperatura constante);
- Duas transformações adiabáticas (sem troca de calor).
A fórmula de rendimento para o ciclo de Carnot é:
η = 1 − (T₂ / T₁)
Onde:
- T₁ = temperatura da fonte quente (em Kelvin),
- T₂ = temperatura da fonte fria (em Kelvin).
Esse rendimento só é atingível se T₂ for 0 K, o que é fisicamente impossível, conforme a Terceira Lei da Termodinâmica. Portanto, toda máquina real terá um desempenho inferior ao de Carnot.
Ciclo Otto: motores automotivos
O ciclo Otto refere-se ao ciclo termodinâmico presente na maior parte dos automóveis movidos a gasolina, etanol ou gás natural. Suas etapas são:
- Admissão isobárica (0–1): Entrada da mistura ar-combustível.
- Compressão adiabática (1–2): Pistão comprime a mistura.
- Combustão e expansão (2–4): Ocorre a explosão da mistura, movimentando o pistão.
- Exaustão (4–0): Os gases produzidos são expelidos.
Esse ciclo é modelado para se aproximar do ciclo de Carnot, otimizando o rendimento dos motores conforme suas limitações práticas.
Exemplos práticos de máquinas térmicas
As máquinas térmicas estão presentes em diversas situações:
- Motores de combustão interna (gasolina, etanol, diesel);
- Turbinas a vapor em usinas termoelétricas;
- Máquinas a vapor, utilizadas historicamente em locomotivas;
- Equipamentos como aviões a jato e geradores de energia.
Máquinas térmicas na Revolução Industrial
O impacto das máquinas térmicas na sociedade começou com o avanço das máquinas a vapor no século XVIII, durante a Revolução Industrial. A melhoria proposta por James Watt permitiu maior controle e eficiência, permitindo que fábricas funcionassem com menos dependência de forças naturais, como a água ou o vento, transformando a produção manufatureira e os transportes.
Esse marco impulsionou o crescimento urbano, o desenvolvimento de ferrovias e a intensificação do comércio internacional.
Refrigeradores: ciclo invertido
Curiosamente, refrigeradores, como geladeiras e ar-condicionado, também operam com base em ciclos termodinâmicos. São consideradas máquinas térmicas invertidas, pois realizam trabalho para absorver calor de um ambiente frio e transferí-lo para o quente.
As etapas envolvem a compressão do gás refrigerante, sua expansão e troca de calor com o ambiente, permitindo o resfriamento de espaços mesmo contra o fluxo natural de calor.
Dessa maneira, as máquinas térmicas desempenham um papel central na geração de trabalho mecânico a partir do calor, seja em motores de veículos, usinas ou sistemas de refrigeração. Baseadas em ciclos termodinâmicos, como o de Carnot e o de Otto, elas obedecem limitações impostas pela física, como a impossibilidade de transformar totalmente calor em trabalho.
Portanto, o domínio desses conceitos é fundamental para quem se prepara para provas exigentes, como o ENEM e grandes vestibulares, onde compreender o funcionamento dos sistemas da física aplicada pode ser decisivo na conquista da tão sonhada vaga na universidade.