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Máquinas térmicas

 

19/10/2011

Autor e Coautor(es)
JOSE ANGELO DE FARIA
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VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Daniel Rodrigues Ventura, Edson Luís Nunes.

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Educação de Jovens e Adultos - 2º ciclo Ciências Naturais Visões de mundo
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Que uma máquina térmica opera entre duas fontes de temperaturas diferentes.
  • Que a máquina térmica é um dispositivo que transforma calor em trabalho.
  • Avaliar o rendimento de uma máquina térmica e certificar que é sempre menor que 100%.
Duração das atividades
50 minutos (uma aula)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
  • Calorimetria, termometria, comportamento dos gases.
Estratégias e recursos da aula

         Sugerimos que o professor inicie a aula falando sobre o invento de Heron; resumidamente podemos citar que:

          Heron nasceu em Alexandria, foi um sábio matemático e mecânico grego, viveu no século I de nossa era, tornou-se famoso por inventar um mecanismo para provar a pressão do ar sobre os corpos, que ficou na história como o primeiro motor a vapor documentado. Durante séculos, a máquina de Heron não tinha serventia alguma; somente no século 18, início da Revolução Industrial, é que seu invento começou a ganhar significado na tecnologia, a bem do homem.

          Após comentários sobre Heron e seu invento, o professor poderá exibir para a turma, o filme, sobre um protótipo, cujo funcionamento é equivalente ao modelo da máquina de Heron. Este filme, com apenas 2 minutos de duração, está disponível na internet, com título e endereço abaixo. 

 

MÁQUINA A VAPOR DE HERON DE ALEXANDRIA

 

http://www.youtube.com/watch?v=ZDp_LjbE8Dc&feature=related

 

 

          Depois da exibição e comentários sobre do filme, o professor deverá fazer uma explicação sobre o conceito de uma máquina térmica dentro dos princípios físicos. Máquinas térmicas  são dispositivos capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, recebendo uma quantidade de calor Q1 da fonte quente, realizando um trabalho útil, W, e cedendo uma quantidade de calor Q2, para uma fonte fria; o diagrama esquemático de uma máquina térmica se encontra na Figura 01. Se o professor achar conveniente, poderá utilizar essa figura para facilitar sua exposição.

Aula21.Fig.01

Atividade I

         O professor poderá elaborar um exercício para a turma resolver individualmente, de modo dirigido tal que dê seqüência ao conteúdo da aula, como sugerimos abaixo.

          Aplicando o princípio da conservação da energia e considerando a máquina térmica como um sistema isolado, cuja energia interna não varia durante o ciclo, mostre que o trabalho realizado pelo dispositivo é igual à diferença das quantidades de calor absorvida e cedida pelo sistema.

Para resolver a questão, use o esquema da máquina térmica ilustrada na Figura 01.

  • Como não há variação da energia do sistema, a quantidade de energia que entra nele deve ser igual a que sai. Verificando pelo esquema, tem-se:
  • Q1 = W + Q2
  • W = Q1 - Q2

 

          Depois o professor deverá explicar que uma máquina térmica sempre rejeita parte da quantidade de calor que recebe para a fonte fria, por isso nunca transforma todo o calor que recebe em trabalho, e a partir daí fornecer a definição de rendimento da máquina térmica.

          O rendimento de uma máquina térmica é definido como o quociente entre a energia útil, valor do trabalho realizado pela máquina, e a quantidade de calor que recebeu. Rend = W/Q1, em que W é o trabalho realizado pela máquina térmica e Q1 é a quantidade de calor por ela absorvido.

          Divida a turma em equipes de 4 alunos e peça que resolvam o seguinte exercício:

          Sabendo que sempre a máquina térmica libera parte do calor que recebe para a fonte fria, quantidade de calor Q2 prove que o rendimento da máquina térmica é sempre menor que 100%.

  • Rend = W/Q1
  • Rend = (Q1 – Q2)/Q1
  • Rend = Q1/Q1 – Q2/Q1
  • Rend = 1 – Q2/Q1
  • Q2 > 0, logo: Q2/Q1 > 0.
  • Então: Rend < 1, ou; Rend < 100%.

         

Atividade II

                   Em seguida, o professor poderá apresentar para os alunos a seguinte animação disponível em:

         

 

 

                            

 

 

         Depois o professor poderá apresentar o diagrama esquemático da Figura 02, e explicar que um refrigerador é como uma máquina térmica operando em sentido inverso. A ele deve ser fornecida energia, ou seja, um trabalho mecânico, (W), para que retire uma quantidade de calor (Q2) de uma fonte fria e transfira certa quantidade de calor (Q1), para uma fonte quente.

         A eficiência (e) de um refrigerador é igual ao quociente entre a energia útil, nesse caso a quantidade de calor (Q2) retirado da fonte fria e a energia a ele fornecida, W. e = Q2/W; ou e = Q2/(Q1 – Q2). A fim de aplicar esta expressão, peça a eles para resolver um exercício de aplicação como abaixo.

          Certo refrigerador em funcionamento retira 200 calorias de calor do compartimento do congelador de uma geladeira por segundo. Sendo de 500 watts a potência do motor, pede para determinar:

A)    A eficiência e do refrigerador.

B)     A quantidade de calor, em calorias, transferida para o meio, a cada segundo.

·        A) e = Q2 /W

·        e = 200.4,2J/500J

·        e = 1,68

·        B) W = Q1 – Q2

·        500J = Q1 – 840J

·        Q1 = 1340J, ou Q1 = 319 cal

 

 

 Aula21.Fig.02

Atividade III

         O professor poderá pedir aos alunos que em grupos de no máximo 4 elementos ou individualmente, resolva o seguinte exercício de aplicação do conteúdo.

          Um exemplo de máquina térmica é o motor de 4 tempos usado nos automóveis. Um automóvel desenvolvendo uma potência de 50 c.v., aproximadamente 37,5 kW, consome 1,0 litro de gasolina em 8,0 minutos. Sendo a massa específica da gasolina igual a 0,75 kg/L e o calor de combustão de 40.106 J/kg, determine o rendimento desse motor.

          Por envolver alguns cálculos, o professor após cerca de 3 minutos, tempo suficiente para refletirem sobre o problema, deverá supervisionar e auxiliar os grupos na resolução.

  • O calor liberado durante a combustão no interior do cilindro do motor é Q1, equivalente ao produto da massa do combustível pelo calor de combustão.
  • Q1 = (0,75kg/L).1L.(40.106)J/kg
  • Q1 = 30.106J
  • A energia útil fornecida pelo motor (W),é igual ao produto da potência desenvolvida pelo tempo: 
  • W = 37,5.(103)J/s.(8,0).(60)s
  • W =  18.106 J
  • Rend = W/Q1
  • Rend = 18.106/37,5.106
  • Rend = 0,48, ou seja, teve um rendimento de 48%.

Nesse caso, qual a quantidade de calor, em calorias, transferida para o ambiente? Use 1,0 cal = 4,2 J.

·        W = Q1 - Q2

·        18.106 J = 37,5.106 J - Q2

·        Q2 = 19,5.106 J

·        Q2 = 4,64.106 cal

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Calorimetria - Calor e trabalho: Aplicações tecnológicas Animação/simulação
Recursos Complementares
Avaliação

                    Divida os alunos em equipes e peça que faça uma pesquisa para ser discutida em aula sobre o número de veículos motorizados existentes no Brasil, depois responda as seguintes questões.

·        Suponha que em média cada veículo funcione uma hora por dia, consome combustíveis cujo calor de combustão seja igual ao calor de combustão da gasolina e tenha um rendimento de 50%. Calcule a quantidade de calor transferida para o ambiente durante um ano.

·        Essa quantidade de calor, transferida ao ambiente, ao longo de décadas, poderá ser significativa para influenciar no aquecimento planetário? Justifique.

Opinião de quem acessou

Quatro estrelas 2 classificações

  • Cinco estrelas 1/2 - 50%
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Opiniões

  • marcio lima , senai- , Minas Gerais - disse:
    marcionascimentolima@gmail.com

    06/04/2015

    Cinco estrelas

    otimo.......


  • Claudia Simone Rodrigues Gomes, ESC EST CARLOS DRUMOND DE ANDRADE , Roraima - disse:
    klaugomes@yahoo.com.br

    02/11/2011

    Quatro estrelas

    Olá , José Ângelo estiver vendo suas aula amei pois vc pode enviar para mim o laboratório virtual sobre plano inclinado , deixa eu ti dizer eu não sei baixa esses tipos de trabalho virtuais peço que me ajunde passo a passo ao envia para o meu mail. Te agradeço muitão Um abraço de Claudia Simone


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