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Uma introdução à termodinâmica, explicando os diferentes tipos de processos termodinâmicos, incluindo processos isobáricos, isocóricos, isotérmicos e adiabáticos. O texto também discute a importância da energia e o princípio de conservação de energia, além de fornecer exemplos de processos termodinâmicos em máquinas térmicas. Útil para quem deseja entender os conceitos básicos de termodinâmica e os diferentes tipos de processos termodinâmicos.
Tipologia: Trabalhos
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Gênito Antônio Marcelino
Joaquim do Carmo Lima
Luís Manuel Antônio
Norest Devissone
Róbate Fernando Nhampiwa
Yassimin Sérgio Mussa
Licenciatura em Ensino de Física com Habilidade em Energias Renováveis
Universidade Púnguè
Extensão de Tete
Gênito Antônio Marcelino
Joaquim do Carmo Lima
Luís Manuel Antônio
Norest Devissone
Róbate Fernando Nhampiwa
Yassimin Sérgio Mussa
Licenciatura em Ensino de Física com Habilidade em Energias Renováveis
Trabalho a ser apresentado no Departamento
de ciências exatas e tecnológicas como
requisito de avaliação parcial na cadeira de
HCT sob orientação da docente: Msc. Inácia
Macapa.
Universidade Púnguè
Extensão de Tete
1. Introdução
O estudo da Física envolve quase sempre um conceito primitivo denominado energia. Essa
energia manifesta-se de várias formas, recebendo em cada caso um nome que a caracteriza:
energia mecânica, energia térmica, energia elétrica, energia luminosa e outros.
Até aproximadamente 1850, as áreas da Termodinâmica e da Mecânica eram consideradas
dois ramos distintos da ciência. O princípio de conservação de energia parecia descrever
somente certos tipos de sistemas mecânicos. No entanto, experiências realizadas em meados
do século XIX pelo inglês James Joule e por outros mostraram a forte conexão entre a
transferência de energia por calor em processos térmicos e a transferência de energia por
trabalho em processos mecânicos.
A termodinâmica – a ciência da energia no contexto mais amplo – surgiu lado a lado com a
revolução industrial em decorrência do estudo sistemático sobre a conversão de energia
térmica em movimento e trabalho mecânico. Daí o nome termo + dinâmica. De fato, a análise
de motores e de geradores de vários tipos permanece sendo o foco da termodinâmica para a
engenharia. Porém, como ciência, a termodinâmica agora se estende a todas as formas de
conversões de energia, incluindo as que envolvem os organismos vivos.
Os primeiros seres humanos aprenderam a usar o calor das fogueiras para se aquecer e
cozinhar os alimentos. Assim procedendo, eles transformavam a energia do calor em energia
térmica.
1.1. Objectivos
1.1.1. Geral
Compreender o funcionamento de máquinas térmicas com base em princípios
termodinâmicos.
1.1.2. Específicos
Identificar os tipos de máquinas térmicas
Conceituar cada máquina térmica;
Identificar os processos termodinâmicos das máquinas térmicas.
2.1.2.1. Processo adiabático
Um processo adiabático é aquele no qual não ocorre transferência de calor nem para dentro,
nem para fora do sistema;
. Podemos impedir a transferência de calor fechando o sistema
com um material isolante ou realizando o processo tão rapidamente que não haja tempo
suficiente para ocorrer um fluxo de calor apreciável. Pela primeira lei da termodinâmica,
verificamos que, em qualquer processo adiabático,
2
1
Quando um sistema se expande adiabaticamente, W é positivo (o sistema realiza trabalho
sobre as vizinhanças); logo, DU é negativa e a energia interna diminui. Quando um sistema é
comprimido adiabaticamente, W é negativo (o trabalho é realizado sobre o sistema pelas
vizinhanças); logo,
aumenta. Em muitos sistemas (mas não todos), um aumento de energia
interna é acompanhado de um aumento na temperatura, e uma diminuição na energia interna é
acompanhada de uma queda na temperatura.
Nota: A fase de compressão em um motor de combustão interna é aproximadamente um
processo adiabático. A temperatura da mistura de ar e combustível sobe à medida que ela é
comprimida no cilindro. A expansão do combustível queimado durante a fase da produção de
trabalho também é aproximadamente um processo adiabático, com uma diminuição da
temperatura.
2.1.2.2. Processo isocórico
Um processo isocórico é um processo a volume constante. Quando o volume de um sistema
termodinâmico permanece constante, ele não realiza trabalho sobre as vizinhanças. Logo,
W = 0 e,
2
1
Em um processo isocórico, toda energia adicionada sob forma de calor permanece no interior
do sistema, contribuindo para o aumento da energia interna. O aquecimento de certo gás em
um recipiente cujo volume é mantido constante é um exemplo de processo isocórico. (Note
que existem alguns tipos de trabalho que não envolvem variação de volume. Por exemplo,
podemos realizar trabalho sobre um fluido agitando-o.
2.1.2.3. Processo isobárico
Um processo isobárico é um processo à pressão constante. Em geral, nenhuma das três
grandezas
DU ,Q e W é igual a zero em um processo isobárico;
No entanto,
dw = d ( pv )
2.1.2.4. Processo isotérmico
Um processo isotérmico é um processo à temperatura constante. Para um processo ser
isotérmico, é necessário que a transferência de calor para dentro ou para fora do sistema seja
suficientemente lenta, possibilitando que o sistema permaneça em equilíbrio térmico. Em
geral, nenhuma das três grandezas,
DU ,Q e W , é igual a zero em um processo isotérmico.
Em alguns casos especiais, a energia interna do sistema depende apenas de sua temperatura, e
não do volume ou da pressão. O sistema mais conhecido que goza dessa propriedade especial
é um gás ideal.
2.1.2.5. Gráfico dos 4 processos
2.2. Máquinas térmicas
O primeiro dispositivo prático para transformar calor em trabalho foi a máquina a vapor,
símbolo da Revolução Industrial. Uma máquina a vapor ferve água para obter vapor a alta
pressão e, depois, usa o vapor para empurrar o pistão e realizar trabalho. O século XIX e o
século XX testemunharam o desenvolvimento da turbina a vapor, do motor a gasolina, do
motor a jato e de outros dispositivos que transformam o calor da queima de combustíveis em
trabalho útil. Esses são os dispositivos que movem nossa sociedade moderna.
“Máquina térmica ” é o termo genérico que se usa para qualquer dispositivo que, por meio de
um processo cíclico, transforma energia térmica em trabalho. A usina de energia e o motor de
um carro são exemplos de máquinas térmicas.
Por exemplo, em um processo típico, no qual uma usina de energia produz eletricidade, um
combustível – por exemplo, carvão –, é queimado e os gases produzidos a altas temperaturas
desencadeava o movimento de um eixo. Ligadas a esse eixo, várias máquinas industriais
funcionavam e, assim, produziam os bens de consumo da época.
2.2.2. Motores de combustão interna
O Motor de Combustão Interna é um aparelho capaz de transformar diretamente a energia
térmica em energia mecânica.
Nos motores de combustão interna, a transformação de energia calorífera resultante da queima
ou da explosão de uma mistura de ar – combustível é feita no interior de um dos órgãos da
maquina, a câmara de explosão. Podem ser a gás, a gasolina, a álcool, a diesel, a metanol, a
benzina, etc. Desses todos, os mais usados são os a gasolina, álcool e diesel.
Os motores de combustão interna são baseados no princípio de que os gases se expandem
quando aquecidos. Controlando-se essa expansão dos gases, pode-se obter pressão, a qual será
utilizada para movimentar algum órgão da maquina, tendo-se assim a transformação da
energia calorífera do combustível em energia mecânica no órgão motor da maquina.
Nos motores a quatro tempos a álcool ou gasolina a produção de movimento começa pela
queima de combustível nas câmaras de combustão. Essas câmaras contêm um cilindro, duas
válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no
interior do cilindro é acoplado à biela, que se articula com o virabrequim.
2.2.2.1. Ciclo de Otto
1) Admissão da mistura: 1º tempo.
Abertura da válvula de admissão: enquanto o volume do gás aumenta, a pressão fica
praticamente constante - transformação isobárica (A → B);
2) Compressão da mistura: 2º tempo.
Enquanto o volume diminui, a pressão e a temperatura aumentam. Como o processo é muito
rápido, não há trocas de calor com o ambiente - transformação adiabática. (B → C);
3) Explosão da mistura: 3º tempo.
O volume do gás fica praticamente constante, e ocorre um grande aumento da temperatura e
da pressão - transformação isométrica (C → D); enquanto o volume aumenta, a pressão e a
temperatura diminuem - transformação adiabática (D → E);
4) Escape dos gases: 4º tempo.
Abertura da válvula de escape: o volume permanece o mesmo e a pressão diminui -
transformação isométrica (E → B); enquanto o volume diminui a pressão fica praticamente
constante – transformação isobárica (B → A).
2.2.2.2. Ciclo a diesel
O ciclo do motor a diesel é semelhante ao do motor a gasolina. A diferença mais importante é
que não existe combustível no cilindro no início do tempo de compressão. Um pouco antes do
início do tempo de potência, os injetores começam a injetar o combustível diretamente no
cilindro, com velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte
do tempo de potência. Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão
adiabática, o combustível explode espontaneamente ao ser injetado; não é necessário usar
nenhuma vela de ignição.. Começando no ponto a, o ar é comprimido adiabaticamente até o
2.2.3. Refrigeradores
Podemos dizer que um refrigerador é uma máquina térmica funcionando com um ciclo
invertido. Uma máquina térmica recebe calor de uma fonte quente e o rejeita para um local
mais frio. Um refrigerador faz exatamente o contrário: recebe calor de uma fonte fria (a parte
interna do refrigerador) e o transfere para uma fonte quente (geralmente o ar externo no local
onde o refrigerador se encontra). A máquina térmica fornece um trabalho mecânico líquido; o
refrigerador precisa receber um trabalho mecânico líquido.
2.2.3.1. A geladeira
Há evidências de que, desde muito cedo, os seres humanos que viviam em regiões muito frias
observaram que o resfriamento dos alimentos conseguia conservá-los por mais tempo. Com o
deslocamento das populações pelo mundo, esse conhecimento se espalhou. Porém, foi
somente no século XIX, precisamente em 1834, que Jacob Perkins patenteou um compressor
que podia solidificar a água, produzindo gelo artificialmente. A utilização desse compressor
possibilitou que algumas indústrias prosperassem, como as cervejarias. Os comerciantes de
carne agora podiam mandar seus produtos para os mais distantes países. No início do século
XX, em 1902, o americano Willis Carrier instalou em uma gráfica, na cidade de Nova York, o
primeiro aparelho de ar condicionado, que permitia resfriar e controlar a umidade do
ambiente. No início da década de 1920, surgiram nos Estados Unidos os primeiros
refrigeradores domésticos, que logo se popularizaram. Hoje, no Brasil, mais de 80% das
residências têm geladeira.
O funcionamento de uma geladeira baseia-se em um processo de transferência de calor de
uma fonte fria para uma quente. Esse processo não é espontâneo. É necessária uma energia
externa, em forma de trabalho (no compressor), para que essa transferência possa ocorrer. A
geladeira possui, portanto, uma fonte fria (o congelador) e outra quente (o radiador), que se
encontra na parte externa traseira, em forma de serpentina. O fluido operante usado é o fréon,
que vaporiza a baixa pressão no congelador e se condensa a alta pressão no radiador. O
mecanismo utilizado para reduzir a pressão no congelador é uma válvula; para aumentar a
pressão no radiador, o mecanismo é um compressor, muito parecido com aquele que Perkins
inventou. Observe que o fréon retira calor do interior da geladeira ao se vaporizar no
congelador e libera calor para o ambiente no radiador, quando se condensa ao ser comprimido
pelo compressor.
As partes principais do mecanismo de uma
geladeira:
A. Compressor: o fréon entra no estado gasoso
com baixa pressão e sai com alta pressão, já
condensado.
B. Válvula: um tubo estreito (capilar) que
diminui a pressão do vapor.
C. Radiador: serpentina externa (localizada na
parte traseira) na qual o vapor se liquefaz,
liberando calor para o ambiente.
D. Congelador: o fréon no estado líquido se vaporiza ao absorver calor do interior da
geladeira.
Fonte: DOCA, 2012
Esta ilustração representa a esquematização de
uma máquina frigorífica. Espontaneamente, a
fonte fria não transfere energia para a fonte
quente. Assim, é necessário “forçar” essa
transferência pela realização de trabalho sobre o
sistema. A energia recebida pela fonte quente é a
soma da energia retirada da fonte fria co o trabalho realizado sobre a máquina.
Fonte: DOCA, 2012
Referência Bibliográfica
DOCA, Ricardo Helou; BISCUOLA, Gualter José; BÔAS, Newton Villas. Tópicos de
física, Saraiva S.A 2012.
YOUNG, Hugh D; FREEDMAN, Roger A. FÍSICA. Vol. II, 14a edição, Pearson Education
do Brasil, 2015.
