Máquina térmica

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Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e o jogam para a fonte fria, o que define sua eficiência. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria.

As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico. Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão e realizando trabalho.

Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, elas obedecem as seguintes características:

recebem calor de uma fonte quente (reator nuclear, colhetor de enegia solar, fornalha a combustível, etc);
conservam apenas parte deste trabalho;
rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado

fonte fria;

funcionam por ciclos.

As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluído para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluído de trabalho. O trabalho líquido do sistema é simplesmente a difereça de trabalho da fonte quente e da fonte fria:

W t = W 2 - W 1

(1)

onde: $W t$ é trabalho líquido ou total da máquina térmica; $W 2$ é o trabalho da fonte quente; $W 1$ é o trabalho da fonte fria.

O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:

W t = Q 2 - Q 1

(2)

onde $Q 2$ e $Q 1$ são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.

Rendimento == O rendimento das máquinas térmicas pode ser, de uma maneira geral, a razão entre o trabalho total e o trabalho (ou calor) necessário para que ela funcione, ou seja, é o que se obtém pelo que se dá de trabalho:

$n=\frac{W_t}{Q_2}$ (3)

mas pela equação (2) podemos melhorar a equação (3):

$n=\frac{(Q_2-Q_1)}{Q_2}$

e por fim:

$n=1-\frac{Q_1}{Q_2}$ (4)

O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:

motores de automoveis da ordem de 20%;
motores a diesel da ordem de 30%;
grandes turbinas a gás da ordem de 40%.

Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, perdida.

[editar] Máquinas Frigoríficas ou Geladeiras

Como vimos, uma máquina térmica consiste em fornecer calor para se obter trabalho com alguma perda. Nas máquinas frigoríficas, o ciclo funciona essencialmente em sentido contrário, pois elas retiram calor da fonte fria (seu interior) transferindo-o para a fonte quente:

$B=\frac{Q_1}{W_t}$ (5)

e por um raciocínio análogo ao anterior chegaremos a:

$B=\frac{Q_1}{(Q_2-Q_1)}$ (6)

[editar] Máquina de Carnot

Ver artigo principal: Ciclo de Carnot

É uma máquina ideal que opera no Ciclo de Carnot, sendo que esta máquina tem um rendimento máximo, é o limite de todas as máquinas. Para uma máquina de carnot é valida a relação:

$\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{T_2}{T_1}$ (7)

onde $T 2$ e $T 1$ são respectivamente as temperaturas da fonte quente e da fonte fria. As relações de rendimento podem ser modificadas pela relação (7) e se obter o rendimento de uma máquina de carnot.