Máquina térmica

Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no 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, todas recebem calor de uma fonte quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc), rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte fria e funcionam por ciclos.

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

$\ W_t=W_2-W_1$

onde Wt é trabalho líquido ou total da máquina térmica; W₂ é o trabalho da fonte quente; W₁ é o trabalho da fonte fria.

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

$\ W_t=Q_2-Q_1$

onde Q₂ e Q₁ 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 automóveis da ordem de 30%;
• motores a diesel da ordem de 50%;
• grandes turbinas a gás da ordem de 80%.

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

Supondo que uma máquina térmica receba 100 cal de calor da fonte e, simultaneamente,realize um trabalho útil de 20 cal. Essa máquina teria então uma eficiência, e= W/Q_1=20/100, e=0,2 ou 20%.Isso significa apenas 20% da energia térmica fornecida à máquina é convertida em trabalho útil sendo o restante rejeitado pela máquina. como a quantidade total de energia não pode aumentar ou diminuir,temos: Q_1=W+Q_2.

Portanto: 100=20+Q_2 Q_2=100-20 Q_2=80

Referências

• Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.; Física, Vol. 2, Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 1996
• Tipler, P.A.; Física (Para Cientistas e Engenheiros), Vol.2 , Gravitação Ondas e Termodinâmica, 3a Ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1995.