Máquinas térmicas são dispositivos que absorvem calor de uma fonte e convertem-no parcialmente em energia mecânica. Todas elas operam em ciclos e, ao final de um ciclo completo, os parâmetros de pressão, volume e temperatura (P,V,T) relacionados à substância de trabalho que é usada pela máquina sempre retomam seus valores iniciais (P0, V0, T0). Show A importância das máquinas térmicas é incontestável para nosso modelo de sociedade atual, em que fazemos uso de motores de combustão interna para um grande número de atividades e processos tecnológicos. Veja também: Grafeno – o material mais resistente já descoberto As máquinas térmicas movidas a vapor já foram usadas para bombear água, como mostra a figura.Introdução às máquinas térmicasMáquinas térmicas são capazes de converter parcialmente o calor proveniente de uma fonte térmica em energia mecânica – cinética ou potencial. Nenhuma máquina térmica é perfeita, ou seja, mesmo a melhor máquina térmica já inventada jamais poderia ter um rendimento igual a 100%. A razão pela qual não é possível existir uma máquina térmica perfeita é a 2ª lei da Termodinâmica, que diz o seguinte:
A forma como a segunda lei encontra-se escrita acima é conhecida como o enunciado de Kelvin. Segundo tal enunciado, em um ciclo completo, é impossível que uma máquina térmica converta integralmente calor em trabalho mecânico. Tal impossibilidade decorre do fato de que a máquina precisa “perder” parte da energia que absorve para retornar ao estado termodinâmico inicial de seu ciclo de funcionamento. Em todas as máquinas térmicas, há uma fonte quente e uma fonte fria.Chamamos de trabalho a porção de energia que uma máquina térmica foi capaz de converter em energia mecânica. Tal quantidade de energia pode ser calculada diretamente pela diferença entre a quantidade de calor que a máquina absorve de uma fonte quente pela quantidade de calor que a máquina dissipa para o meio externo, que comumente é chamado de fonte fria. A fórmula que é usada para calcular o trabalho realizado por uma máquina térmica é a seguinte: τ – trabalho (J – joule ou cal – caloria) QQ e QF – calor quente e calor frio As máquinas térmicas estão presentes em nosso dia a dia e são fundamentais para o funcionamento de diversas tecnologias. Confira alguns exemplos:
Veja também: Computadores quânticos – limites, possibilidades e características Rendimento das máquinas térmicasO rendimento das máquinas térmicas é sempre inferior a 100%, como já dissemos. Tal rendimento diz respeito à porcentagem da energia absorvida pela máquina que é convertida em calor ao longo de um ciclo completo. O cálculo do rendimento, feito em porcentagem, pode ser realizado se conhecemos parâmetros como a quantidade de calor “quente” (que é absorvida pela máquina a partir da fonte quente) e a quantidade de calor “frio” (cedido pela máquina à fonte fria). A fórmula para calcular o rendimento das máquinas térmicas é a seguinte: A fórmula do rendimento também pode ser escrita em termos do trabalho realizado pela máquina. Nesse caso, o rendimento é calculado pela razão entre o trabalho e a quantidade de calor absorvida pela máquina. Para obter o rendimento da máquina em porcentagem, multiplica-se o resultado obtido nas fórmulas acima pelo fator 100. Ciclo termodinâmico das máquinas térmicasCiclo termodinâmico é a sequência de estados que a substância de trabalho da máquina térmica passa a fim de que a máquina opere corretamente, convertendo calor em trabalho. Esse ciclo é geralmente representado na forma de um gráfico de P x V (pressão em função do volume). Além disso, o sentido das setas indica se o ciclo é relacionado a uma máquina térmica ou a um refrigerador, caso sejam representadas, respectivamente, no sentido horário e anti-horário. A figura abaixo mostra o ciclo termodinâmico de uma máquina térmica genérica. Observe: O ciclo termodinâmico representado na figura é utilizado nos motores movidos a gasolina.Ciclo de CarnotO ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico ideal cujo funcionamento apresenta o maior rendimento possível, dadas duas temperaturas de funcionamento (da fonte quente e da fonte fria). Dessa maneira, é esperado que uma máquina térmica real, como o motor de um carro, apresente um ciclo de formato mais próximo possível ao ciclo de Carnot. Exercícios resolvidos sobre máquinas térmicasQuestão 1 — (Enem) No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece: a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás e) na carburação, com a difusão do combustível no ar Resolução: A energia obtida pelos motores de combustão interna vem da queima de combustíveis fósseis. Junto à combustão, há uma grande expansão do volume de gás no interior dos pistões, gerando movimento. Portanto, a alternativa correta é a letra A. Questão 2 — (AFA) Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, analise as proposições a seguir. I. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho. II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por Clausius, afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo, como é o caso do refrigerador. III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente. IV. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas. São corretas apenas: a) I e II b) II e III c) I, III e IV d) II e IV Resolução: Vamos analisar as alternativas: I – FALSA. Máquinas térmicas são dispositivos que transformam energia térmica em energia mecânica, realizando trabalho durante esse processo. II – VERDADEIRA. III – FALSA. De acordo com a segunda lei da Termodinâmica, nenhuma máquina térmica que opere em ciclos é capaz de retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho. IV – VERDADEIRA. Com base nas análises acima, a resposta correta é a letra D.
Plano de Aula Plano 1 de uma sequência de 5 planos. Veja todos os planos sobre Tipos de combustíveis e máquinas térmicas: quuestões socioambientais e econômicas Contexto e questão disparadora Apresente a questão disparadora: Peça a eles que reflitam sobre a pergunta. Mão na massa Forneça um texto disponível na aba “materiais e atividades” e a ficha correspondente para cada grupo. Oriente os grupos a preencherem a ficha de acordo com as informações encontradas no texto. Marque uma videochamada com toda a turma, peça para compartilharem as informações encontradas no texto lido e explicarem o funcionamento da máquina. Utilize o Google Jamboard para que a turma crie uma linha do tempo do surgimento das máquinas térmicas. Motive uma discussão entre os estudantes e inclua uma ficha em cada frame do Jamboard de acordo com as suposições dos estudantes. Sistematização Siga as orientações propostas no slide “sistematização”. Convite às famílias
As Máquinas Térmicas na história 7º Ano Objetivos de aprendizagem Conhecer e analisar a história das máquinas térmicas e como se deu o seu aprimoramento. Habilidade da Base Nacional Comum Curricular (EF07CI05) Discutir o uso de diferentes tipos de combustível e máquinas térmicas ao longo do tempo, para avaliar avanços, questões econômicas e problemas socioambientais causados pela produção e uso desses materiais e máquinas. Professor-autor: Sândira de Oliveira Barbosa Mentor: Neusa Nogueira Fialho Especialista: Sobre esta aula: Este plano é parte de uma sequência didática que busca levar o aluno a conhecer a história da máquinas térmicas e analisar como se deu o seu aprimoramento. Você observará que a habilidade não será contemplada em sua totalidade e que as propostas podem ter continuidade em aulas subsequentes. Materiais necessários para a aula: Projetor ou TV e aparelho de DVD, caixa de som. Para o varal cronológico: barbante e pregador. Materiais de apoio: https://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/maquinas_termicas.htm http://www.if.ufrgs.br/~leila/vapor.htm https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/maquinas-termicas.htm |