T E O R I A     (Referencial Físico Matemático)
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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.
                                
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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 expansão adiabática (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%.