1.
CALOR E TRABALHO: RUMFORD, JOULE, WATT, CARNOT, KELVIN
O avanço nos
estudos do calor, especialmente ao longo do século XIX, levou
ao desenvolvimento de aplicações tecnológicas que
impulsionaram a indústria e melhoraram a qualidade de vida
das pessoas na sociedade moderna.
Nesse campo, nomes
como Benjamin Thompson (Conde de Rumford), James Prescott Joule,
James Watt, Nicolas Sadi Carnot e William Thomson (Lord Kelvin)
se destacaram.
O principal ponto
para o avanço da termodinâmica foi a elucidação
da relação existente entre calor e trabalho, ou seja,
entre duas diferentes formas de energia. Os efeitos do calor sobre
a matéria e vice-versa já eram razoavelmente conhecidos
no início do século XIX, mas ainda não estavam bem
explicados, o que impedia a abertura do caminho para as aplicações
tecnológicas desse campo.
Legenda:
Conde de Rumford
Rumford percebeu
que esforços mecânicos feitos nas usinagens de peças
metálicas geravam calor.
Watt enunciou a equivalência
entre trabalho mecânico (movimento) e calor, determinando a
relação físico-matemática entre eles: o equivalente
mecânico do calor (em 1847). Isso permitiu que ele apresentasse
a primeira lei da termodinâmica. Essa lei estabelecia que as
várias formas de energia (mecânica, elétrica e térmica)
podem ser transformadas uma na outra, num paralelo à lei da
conservação de matéria. Ele também trabalhou
experimentalmente com a ideia de calor dissipado por resistência
elétrica.
Já o francês
Carnot
estudou os ciclos termodinâmicos e detalhou como ocorrem as
etapas de transformação reversíveis em um ciclo de
um gás. Ele descobriu que a eficiência térmica de
uma máquina a vapor dependia da diferença de temperatura
das fontes fria e quente.
Foram essas descobertas
que permitiram que, a partir dessa época, se desenvolvessem
inúmeras máquinas e dispositivos, tais como: máquinas
a vapor para uso industrial, locomotivas, variados sistemas de iluminação
pública, aquecedores, refrigeradores e motores térmicos.
2.
CICLO DE CARNOT
Uma
das maiores contribuições para o desenvolvimento da Termodinâmica
veio dos estudos de Carnot. Como vimos, ele estudou ciclos termodinâmicos
ideais executados por um gás.
Os
ciclos termodinâmicos ocorrem quando um gás
é submetido a sucessivas transformações, que fazem
variar as grandezas pressão, volume e temperatura. Esse é
o princípio usado para produzir trabalho em máquinas que
operam com energia térmica, sejam elas de aquecimento ou de
refrigeração.
Podemos observar que nem sempre é necessário que a mesma
massa de gás execute o ciclo. Num sistema de refrigeração
(como as geladeiras), por exemplo, que opera em circuito fechado,
a mesma massa de gás retorna para o início de cada ciclo.
No entanto, num motor de automóvel (de combustão interna),
que tem um sistema aberto, essa massa de gás é nova a
cada ciclo de queima.
O
chamado Ciclo de Carnot é um ciclo ideal, mas que ilustra muito
bem o que ocorre numa máquina térmica que opera em ciclos.
Basicamente,
um ciclo completo pode ser decomposto em quatro etapas: uma expansão
isotérmica (na qual o gás retira calor de uma
fonte quente), uma expansãoadiabática
(onde o gás não troca calor com o meio), uma compressão
isotérmica (feita com o gás rejeitando calor
para a fonte fria externa) e, finalmente, uma compressão
adiabática, que fecha o ciclo.
Observe a animação:
Legenda:
Ciclo de Carnot, composto de quatro etapas principais. As fontes
quente e fria operam nas temperaturas TQ
e TF,
respectivamente. Os valores de pressão e volume variam em acordo
com as relações físicas do Estudo Geral dos Gases.
Note que tratamos aqui de um ciclo reversível, pois se o calor é retirado ou fornecido, temos um ciclo
do tipo bomba de calor ou do tipo refrigerador.
Na
prática, o ciclo de Carnot não é totalmente viável.
Então, em estudos mais avançados, devemos observar algumas
alterações nos diagramas, mas ainda assim o ciclo serve
de base didática para entendermos como algumas das modernas
máquinas térmicas operam.
3.
CICLOS TERMODINÂMICOS REAIS
Como vimos, o ciclo de Carnot define o comportamento ideal de máquinas térmicas que operam em
ciclos.
Entretanto, na prática, algumas considerações devem ser feitas, pois diversos fatores ambientais e
tecnológicos interferem na operação das diferentes máquinas térmicas.
Com
o desenvolvimento da engenharia nesse campo, partindo das máquinas
de James Watt, passando pela Revolução Industrial e pelas
aplicações na indústria e no cotidiano das pessoas,
inúmeras variações tecnológicas surgiram para
dar conta de deixar as máquinas mais eficientes, mais silenciosas,
seguras e baratas. Então, o ciclo real tende a se aproximar
do ideal, mas ainda existem perdas.
3.1
Motor de combustão interna
Os motores de automóveis são uma aplicação importante dos ciclos termodinâmicos.
Embora
obedeçam, no geral, às etapas do ciclo de Carnot, observaremos
algumas diferenças. O principal ponto é que há perdas
de calor, pois as etapas de compressão e expansão não
são perfeitamente isotrópicas.
Outro
ponto que afasta o ciclo real do ideal de Carnot é que a combustão
não é instantânea. Há um tempo pequeno, porém
significativo, para que ela ocorra. Também há perdas significativas
de energia nas tubulações de admissão e escape.
Observe
os gráficos P x V do ciclo ideal
de Carnot e compare com o ciclo real do motor de 4 tempos a gasolina:
Legenda:
Diagrama pressão x volume para o ciclo ideal de Carnot, com
as etapas consideradas isotérmicas e isotrópicas.
Legenda:
Diagrama real para um motor de combustão interna de 4 tempos
a gasolina. Note as perdas nas etapas de escape e admissão.
As perdas de calor que ocorrem fazem com que a área do gráfico
no ciclo (W) seja menor do que o teoricamente esperado (por Carnot).
3.2
Ciclos de refrigeração
O
ciclo de refrigeração, tanto das geladeiras domésticas
e industriais quanto dos aparelhos de ar condicionado, também
sofre desvios com relação ao ciclo teórico ideal.
Isso se explica pelos fatores construtivos adotados (perdas nas
tubulações, tipo de fluido refrigerante utilizado, perdas
de calor para o meio durante as etapas etc).
No
caso da geladeira doméstica, que funciona baseada no ciclo
de compressão-descompressão de um gás, a eficiência
real chega no máximo a 40% . A eficiência (ou rendimento)
mede a razão entre o calor retirado do interior de um refrigerador
e a energia gasta para isso. Esse percentual indica a relação
entre o valor obtido para eficiência de um refrigerador real
e o valor máximo para eficiência de um refrigerador ideal,
baseado no ciclo de Carnot.
Legenda:
A energia fornecida para o ciclo de refrigeração funcionar
vem de fonte elétrica, que alimenta o compressor. Há perdas
já no compressor (principalmente por atrito), e outras mais
nos sistemas de tubulação interna e externa da geladeira.
Isso faz com que a relação entre o calor retirado (no
condensador) e a energia fornecida não seja 100%.