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.
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.