T E O R I A     (Referencial Físico Matemático)
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1. ENERGIA TÉRMICA

Entendemos o calor como uma forma de energia. Ele pode ser transferido de um corpo para outro em situações em que existam diferenças de temperatura entre os corpos envolvidos. Portanto, o conceito
moderno de calor o entende como uma forma de energia em trânsito.

Essa ideia de calor como energia foi introduzida pelo Conde Rumford (1753-1814), ao estudar o aquecimento de peças metálicas que eram perfuradas para produzir munição para canhões. Em 1798, ele elaborou a teoria que afirmava que a energia empregada no trabalho de perfuração era transferida para as peças, provocando o aumento de temperatura observado.

A partir dos estudos de Rumford e a posterior consolidação da Termodinâmica como área de estudo e aplicação da Física, ficou definido que o grau de agitação molecular de um corpo define a quantidade de energia interna dele e, a partir daí, qualificamos o conceito de temperatura de um corpo ou sistema, diferenciando-o do conceito de calor.

Legenda: T1 > T2 : O corpo de temperatura maior (T1) transfere calor para o corpo de temperatura menor (T2).

 


2. O QUE É TERMODINÂMICA?

A Termodinâmica é o ramo da Física que se preocupa em estudar os efeitos das variações de pressão, volume e temperatura nos sistemas físico-químicos. Podemos entendê-la como um campo que envolve o estudo da relação entre calor e movimento (“termo-dinâmica”).

Por conta disso, ela tem uma grande importância no desenvolvimento de máquinas que geram movimento a partir da energia térmica (calor): máquinas a vapor, motores de automóveis etc.

A Revolução Industrial, que ocorreu durante o século XVIII e que mudou o panorama socioeconômico do planeta, só foi possível com o estabelecimento dos alicerces da termodinâmica - em especial, com o desenvolvimento da máquina a vapor de James Watt. Ela possibilitou o avanço da indústria de escala na Europa e, depois, também em outras partes do mundo.

Também houve uma revolução nos meios de transporte, pois logo foram construídas ferrovias para as locomotivas a vapor, que mais tarde passaram a conviver com os automóveis, já no início do século XX.

Legenda: Diagrama que mostra o princípio de funcionamento de uma máquina movida a vapor.

Nesse caso, está acoplada a um gerador capaz de aproveitar o movimento produzido para gerar eletricidade.
Fonte: http://fisicaressurp.files.wordpress.com/2009/08/maqina_vapor.jpg

Atualmente, as principais aplicações tecnológicas dos estudos da termodinâmica aparecem no campo das engenharias: máquinas a vapor, motores de combustão para veículos (álcool, diesel, gasolina), turbinas para aviões, motores de foguetes, usinas termoelétricas etc. Mas a compreensão de seus princípios também é fundamental em inúmeras outras áreas, como a Meteorologia, Clima e a Astrofísica.


3. FÍSICA E TECNOLOGIA

3.1. A Máquina de Heron

No primeiro século depois de Cristo, Heron de Alexandria construiu o que hoje se acredita ter sido o primeiro dispositivo a vapor capaz de produzir trabalho. Era uma esfera que girava por conta do torque gerado por duas saídas de vapor colocadas em posições diametralmente opostas. Veja como ele funcionava.

 

3.2. A Máquina de James Watt

O engenheiro escocês James Watt (1736-1819) foi um dos nomes importantes na história da física. Entre seus inúmeros trabalhos, destacam-se aqueles ligados ao estudo do calor e o desenvolvimento de dispositivos térmicos, que permitiram aplicações na indústria, com sistemas de novas máquinas que impulsionaram a Revolução Industrial.

Patenteada em 1769, a máquina de Watt tinha rendimento bem superior ao da antiga máquina de Newcomen e logo se tornou o novo modelo tecnológico a ser seguido. Veja como funcionam alguns tipos básicos de máquina a vapor.


4. O MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA

Uma das mais importantes aplicações da termodinâmica ocorre com a invenção e o desenvolvimento dos motores de combustão interna, no final do século XIX. Essa invenção permitiu que o homem trocasse o cavalo pelo automóvel e alterasse radicalmente o conceito de transporte ao longo do século XX.

Motores de combustão de veículos de passeio, como os que operam em Ciclo Otto, geram energia a partir da queima de uma mistura de combustível mais ar. Os combustíveis mais comuns para veículos de passeio são o álcool e a gasolina. Também existem motores de combustão movidos por diesel (mais comuns em veículos pesados), e que tem algumas pequenas diferenças em seu ciclo de operação (Ciclo Diesel) em relação ao motor a gasolina.

No Ciclo Otto, uma mistura de ar e combustível é inserida por injetores na câmara de combustão. Essa mistura é perfeitamente acertada pelo sistema de injeção eletrônica do veículo, que mede grandezas como pressão e temperatura do ar e posição do acelerador para dosar, com precisão, as porcentagens de combustível e ar injetados.

A maioria dos motores possui 4, 6 ou 8 cilindros, que se movimentam a partir da queima dessa mistura, provocada pela faísca das velas de ignição. Ao se expandir na queima, os gases empurram o pistão para baixo. O ciclo tem quatro tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão.

  • Na admissão: com a válvula de exaustão fechada, a válvula de admissão se abre, permitindo a entrada da mistura na câmara de combustão;
  • Na compressão: com o pistão subindo, a mistura é comprimida na câmara, e sua temperatura se eleva. As válvulas de admissão e exaustão ficam fechadas;
  • Na combustão: a vela produz uma faísca, que inicia a queima da mistura. É nessa etapa que se produz trabalho, pois a expansão que ocorre com a queima faz com que o pistão se mova para baixo, empurrado pelos gases;
  • Na exaustão: a válvula de exaustão se abre, para eliminar os gases da queima, que vão para o escapamento. Em seguida, o ciclo recomeça com o pistão subindo novamente, pois ele é empurrado pelos outros que estão em movimento alternado.

Legenda: Observe os quatro tempos do motor de Ciclo Otto

Por conta dessa concepção de projeto, com o movimento dos pistões alternado (enquanto alguns descem, outros são movidos para cima em direção a uma nova alimentação), o ciclo é contínuo e o movimento dos pistões acoplados ao virabrequim é transmitido para as rodas do veículo.

Embora muitos livros empreguem o termo motor “a explosão”, esse termo é incorreto, pois o que esse tipo de motor faz é uma queima (e não explosão) controlada da mistura. Uma explosão implicaria em danos ao motor e uma perda do perfeito funcionamento mecânico de todo o sistema (e sabemos que não é isso que ocorre).

Note que o motor de combustão é uma máquina térmica que transforma energia química (combustível + ar) em térmica (calor e expansão dos gases), que na sequência se transforma em energia mecânica (move os pistões, virabrequim e rodas).

Mas a energia que entra não é totalmente transformada em movimento nas rodas, pois existem inúmeras perdas no atrito dos pistões, nas peças móveis, nas trocas de calor com fluidos de refrigeração, nas engrenagens de transmissão etc. Estima-se que um motor desse tipo tenha um rendimento médio em torno 25%.

Os motores de combustão interna são uma das principais tecnologias derivadas dos estudos da termodinâmica. Mas como são poluentes, podem ceder, no futuro, seu lugar para os carros elétricos ou com outras fontes de propulsão.


5. O REFRIGERADOR

O princípio básico para a obtenção de frio por um refrigerador se dá pela observação do fato de que toda substância, para mudar de estado, precisa absorver calor. Seja, por exemplo, o caso do álcool: para passar de um estado líquido para o gasoso, ele absorve certa quantidade de calor (Q) de outra fonte. Podemos ver isso ao colocar álcool sobre a nossa pele e sentir aquele “frio” no local onde ele evapora ao receber calor do corpo.

Um refrigerador aproveita o mesmo princípio. Ele tem um fluido refrigerante circulando por tubos em circuito fechado. Esse fluido muda do estado líquido para gás, retirando para isso uma certa quantidade de calor do meio que deseja resfriar e baixando, então, a temperatura no interior do refrigerador. Geralmente, esse fluido é o freon, mas como ele é um dos gases que agride a camada de ozônio da atmosfera, nos últimos anos esse gás vem sendo substituído por outros sem CFC (Cloro-Flúor-Carbono).

Os refrigeradores atuais funcionam por dois sistemas: por absorção ou por compressão. Nos dois casos, temos um sistema termodinâmico cíclico e fechado.

O sistema de refrigeração funciona assim: o compressor, acionado por um motor elétrico, comprime o fluido refrigerante na forma de gás que está no ciclo. Na medida em que este tem sua pressão aumentada, sua temperatura se eleva, sendo então empurrado para um condensador. O condensador, que fica na parte externa da geladeira, resfria o fluido através da troca de calor com o ar externo. Isso tem como objetivo fazer com que a temperatura do fluido caia e faça o gás se transformar em líquido (mudança de fase). Para fazer isso, o condensador retira uma quantidade de calor (Q) do fluido.

O fluido prossegue seu caminho no ciclo, agora no estado líquido, mas ainda em pressão elevada, até chegar na válvula de expansão. Como o nome indica, essa válvula provoca uma expansão do líquido e consequentemente força sua queda de pressão, empurrando-o agora na forma de gotículas para o evaporador.

O evaporador é a peça que se situa nas paredes do refrigerador, colocado de tal forma que retira calor do interior da geladeira, fazendo com que esse calor seja absorvido pelo fluido.
Ao receber o calor (Q), o fluido volta novamente ao estado gasoso, conseguindo com isso retirar calor do interior da geladeira: enquanto ele aumenta de temperatura, o interior da geladeira diminui de temperatura (que é o efeito realmente desejado, na prática).

O compressor é a peça encarregada de manter esse fluido circulando no circuito fechado, de forma que o ciclo de transformações vai se repetindo enquanto se retira calor de dentro da geladeira, resfriando-a.
Quando a temperatura do interior chega ao valor desejado, um termostato desliga o compressor, parando o ciclo até que novamente seja necessário ligá-lo.

A geladeira tem revestimento isolante para minimizar as trocas de calor com o meio, mas essa troca sempre existe. Por isso, é bom evitar abrir a geladeira sem necessidade ou ficar muito tempo com a porta aberta, pois a temperatura irá subir e acionar o termostato e o compressor. Isso irá gastar energia elétrica, pois o compressor é acionado por um motor que está ligado na tomada.

Legenda: Ciclo de operação de uma geladeira doméstica.

 

As geladeiras do tipo frost-free (degelo automático) usam uma resistência elétrica de aquecimento junto do evaporador. Elas possuem um temporizador automático, que quando necessário, desliga o compressor e liga uma resistência, para fundir o gelo que se formou. A água é recolhida numa bandeja e depois é evaporada.


6. USINA TERMOELÉTRICA (OU TERMELÉTRICA)

Uma usina termoelétrica é uma instalação usada para geração de energia elétrica partindo de energia térmica, liberada em forma de calor por algum combustível utilizado.

Numa caldeira com água, o calor fornecido pela queima de um combustível transforma parte da massa de água em vapor. O vapor gerado na caldeira é canalizado (por tubulações pressurizadas) e usado para mover uma ou mais turbinas, que por sua vez estão acopladas a um gerador.

Resumindo, a energia térmica gera o vapor, que produz movimento cinético na pá e eixo da turbina, movimento transmitido para um gerador de eletricidade, que transforma energia cinética em elétrica.

Existem diversos tipos de usinas termoelétricas, mas o que temos como princípio e tecnologia de funcionamento variapouco. A grande diferença reside no combustível usado: óleo, carvão ou gás para as usinas térmicas de combustão e energia nuclear para as usinas do tipo termonuclear.

Então, as usinas ditas nucleares têm as suas especificidades, mas aproveitam o mesmo princípio de transformação térmica – mecânica – elétrica para gerar energia para as redes de transmissão.

As usinas que queimam combustível fóssil são altamente poluentes, pois lançam gases nocivos na atmosfera, e essa é a grande desvantagem. Já as do tipo termonuclear são “mais limpas”, mas envolvem questões de segurança operacional delicada, uma vez que usam materiais radioativos para gerar calor para a produção de vapor.

O Brasil tem sua matriz energética fortemente centrada na produção das usinas hidroelétricas, com uma menor parcela vinda da contribuição das termoelétricas. Entretanto, a maioria dos países da Europa e os Estados Unidos têm uma grande parcela de geração creditada às usinas térmicas.


Legenda: Usina Termoelétrica de Cuiabá.


7. OUTRAS APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS: ISOLANTES TÉRMICOS

As aplicações dos estudos do calor são muitas e vão da construção de simples utensílios ao projeto avançado de máquinas diversas, usinas térmicas e também está presente nos estudos aplicados, como a meteorologia. Em especial, podemos observar a aplicação dos estudos do calor no campo da engenharia, especialmente na mecânica, na civil e na aeronáutica: motores de automóveis, turbinas de aviões, revestimentos térmicos, foguetes e outros dispositivos funcionam a partir de aplicações do campo da mecânica e da termodinâmica.

Vamos tratar sobre os isolantes térmicos, que aparecem em muitas aplicações tecnológicas, na forma de dispositivos e materiais que trabalham expostos ao calor.

7.1. A garrafa térmica

Entre essas aplicações tecnológicas, podemos falar um pouco de uma que conhecemos de nosso dia a dia: a garrafa térmica.

Um recipiente desse tipo tem como objetivo minimizar as trocas térmicas entre o líquido e o meio externo. Assim, podemos manter tanto um café quente como um suco gelado preservado por mais tempo.

Isso é obtido dificultando os três tipos de transmissão de calor. A ampola é feita com duas paredes espelhadas de vidro com ar rarefeito entre elas. Isso retarda o processo de irradiação e evita a condução e a convecção. A ampola é protegida por um invólucro exterior, que pode ser de metal ou plástico. Essas paredes também são espelhadas tanto no lado de fora quanto no de dentro. O conjunto é completado com uma tampa de pressão ou rosca que veda a parte superior do recipiente.

Legenda: Garrafa térmica.

7.2. Na construção civil

Na construção de casas, os materiais escolhidos devem estar de acordo com o que se quer obter. Nos telhados, por exemplo, o uso de materiais isolantes térmicos pode auxiliar a reter o calor no interior da casa (em regiões frias) ou a refletir parte da luz incidente (com o uso de tons claros no telhado e na pintura externa) para evitar aquecimento indesejável (em regiões tropicais).

Paredes e janelas também são responsáveis por parte das perdas de calor e podem ser projetadas para minimizar as perdas para o meio nas situações em que a casa necessita com freqüência de aquecimento elétrico ou solar, minimizando assim o consumo de energia pelos moradores: uma opção é fazer lajes e paredes mais espessas e usar material isolante na construção delas.

Já nas regiões frias, grandes áreas envidraçadas em camada dupla de vidro (com ar no “recheio” como isolante) podem ajudar a iluminar melhor o ambiente e a permitir a entrada de luz solar, provocando um efeito semelhante ao efeito estufa e ajudando também a evitar a necessidade de gastos excessivos no processo de aquecimento elétrico.

7.3. Na Aeronáutica

Materiais isolantes térmicos e acústicos revestem toda a fuselagem dos aviões, para proteger os passageiros do barulho e do frio externo. Eles são fundamentais especialmente nos aviões que voam em grandes altitudes: para isolar as baixas temperaturas e pressões externas, eles possuem cabines pressurizadas e dependem de um bom isolamento para manter os passageiros em conforto e segurança. Os grandes aviões chegam a ter mantas de material isolante de cerca de 10 centímetros de espessura.

7.4. Na Astronáutica

Naves que precisam entrar e sair da atmosfera terrestre, rumo ao espaço, usam blindagem térmica, feita com painéis e mantas resistentes ao calor. Graças aos revestimentos é que as naves podem suportar o calor gerado pela atmosfera com a nave a alta velocidade e dar segurança aos astronautas. Eles estão presentes, por exemplo, nas pastilhas de revestimento de asas e fuselagem do ônibus espacial. E também são usados na confecção das roupas dos astronautas. Veja outras tecnologias usadas nos programas espaciais.