Mostrar código-fonte de Máquina térmica

{{Mais notas|data=junho de 2022}}
{{Termodinâmica|sistemas}}
'''Máquina térmica''', ou '''motor térmico''',  em [[termodinâmica]], é aquela integrada num sistema que realiza a conversão de [[calor]]  ([[energia térmica]]) em [[Trabalho (física)|trabalho mecânico]]. Isto se dá quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa [[temperatura]] para um estado de temperatura mais alta. A substância de trabalho (normalmente [[gás]] ou [[vapor]] em [[expansão térmica]]) transfere essa [[energia]] através de sua expansão no interior da máquina térmica acionando o sistema mecânico ([[pistão]], [[rotor]] ou outro) e realizando trabalho. Durante essa expansão, a substância de trabalho perde calor para o meio.<ref>Tipler, P.A.; ''Física (Para Cientistas e Engenheiros)'', Vol.2 , Gravitação Ondas e Termodinâmica, 3a Ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1995.</ref>

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

<math>\ W_t=Q_1-Q_2</math> (1)

onde <math>Q_1</math> e <math>Q_2</math> são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.

Apesar de sua limitação de [[eficiência]], têm uma grande vantagem que são várias formas de energia que podem ser transformadas em calor como [[Reação exotérmica|reações exotérmicas]] (como [[combustão]]), absorção de [[luz]] de [[partículas]] energéticas, [[fricção]], [[dissipação]] e [[Condutividade térmica|resistência]].
Como a fonte de calor que abastece a energia térmica da máquina pode ser gerada virtualmente por qualquer tipo de energia, estas são extremamente versáteis e como enorme gama de aplicação.

== Visão geral ==
[[Imagem:Second law heat engine.png|thumb|direita|x200px|Diagrama da máquina térmica]]
Em [[termodinâmica]], máquinas térmicas são usualmente projetadas utilizando um [[modelo padrão]], como o [[Ciclo Otto]]. O modelo teórico pode ser refinado e ampliado com dados reais de um [[motor]] em funcionamento, usando ferramentas como um diagrama indicador. Desde que o modelo padrão foi criado, poucas mudanças foram implementadas, podendo-se dizer que um [[ciclo termodinâmico]] é um caso ideal de um motor mecânico. Em termos gerais, quanto maior for a diferença na temperatura entre a fonte de calor e o dissipador frio, maior é a eficiência térmica potencial do ciclo. A [[temperatura]] baixa da máquina térmica está limitada a temperatura do ambiente, ou seja, não muito inferior a 300 [[Kelvin]]. Por isso a maioria dos esforços para melhorar as eficiências termodinâmicas das máquinas térmicas tem como foco o aumento da temperatura de origem, dentro dos limites dos materiais. A eficiência teórica máxima de uma máquina térmica é igual à diferença de temperatura entre as extremidades quentes e frias, dividida pela temperatura na extremidade quente, todas expressas em graus Kelvin, ou a [[temperatura absoluta]].<ref>[http://memagazine.asme.org/Web/Efficiency_by_Numbers.cfm "Efficiency by the Numbers"] by Lee S. Langston]</ref>

== Potência ==
Máquinas térmicas podem ser caracterizadas pela sua [[Potência#Potência_específica|potência específica]], que é normalmente dada em [[quilowatt]]s (kW) ou em [[cavalo-vapor]] (cv). Essa característica oferece uma aproximação da saída de pico de potência de um motor. Isto não deve ser confundido com a eficiência de combustível, uma vez que a eficiência é elevada, muitas vezes requer uma relação de ar-combustível pobre, e, portanto, menor quantidade de potência.<ref>Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.; ''Física'', Vol. 2, Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 1996</ref>

== 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:<ref>Tipler, P.A.; ''Física (Para Cientistas e Engenheiros)'', Vol.2 , Gravitação Ondas e Termodinâmica, 3a Ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1995. </ref>
<center><math>n=\frac{W_t}{Q_1}</math> (2)</center>
mas pela equação (1) podemos melhorar a equação (2):
<center><math>n=\frac{(Q_1-Q_2)}{Q_1}</math></center>
e por fim:
<center><math>n=1-\frac{Q_2}{Q_1}</math> (3)</center>
O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:
* motores de [[Automóvel|automóveis]] rendem em média 22%;
* [[Motor a diesel|motores a diesel]] rendem em média 25%;
* grandes [[Turbina a gás|turbinas a gás]] da ordem de 33%
* o [[motor Stirling]] tem um dos maiores rendimentos, podendo chegar a 40%.<ref>[[Herbert Callen|Callen Herbert B.]]; “Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics” | edition  2nd ed. , Inc. 1985  isbn 0-471-86256-8</ref>

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,

<math> n= \frac{W}{Q_1}=20/100</math>, <math>n=0,2</math> ou <math> 20\% </math>. Isso significa apenas 20% da energia térmica fornecida à máquina é convertida em trabalho útil sendo o restante não aproveitado pela máquina. Como a quantidade total de energia não pode aumentar ou diminuir temos:<ref>Kroemer, Herbert ; Kittel, Charles ; “Thermal Physics” edition  2nd ed. publisher  W. H. Freeman Company | year  1980 | isbn  0-7167-1088-9</ref>

<center><math>Q_1=W+Q_2</math></center>

Portanto:

<math>100 = 20 +Q_2 </math>

<math>Q_2 = 100 -20</math>

<math>Q_2=80</math>

== Exemplos ==
=== Motor de combustão interna ===
{{Principal|Motor de combustão interna}}
[[Imagem:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif|thumb|Motor a combustão]]
O motor a combustão é uma máquina térmica comumente relacionada à automóveis. Na animação ao lado podemos observar as fases do processo e entender como a energia de determinados gases pode ser convertida em movimento, que é a justificativa para classificarmos essa máquina como uma máquina térmica, ou seja, que converte energia térmica (calor) em [[trabalho (física)|trabalho]]. A eficiência do motor a combustão é de aproximadamente 25%.<ref name=Richard>{{citar livro|último =[[Richard Stone|Stone, Richard]]|título= Introduction to Internal Comcustion Engines.|ano=1993 |publicado= Society of Automotive Engineers|local= Warrendale, PA, USA.}}</ref>

==== Fase 1 ====
Uma mistura de gases ([[ar]] e [[combustível]]) devidamente dosados por um [[carburador]] ou pela [[injeção eletrônica]], preenche o [[cilindro (motor)|cilindro]] a medida que o [[pistão]] libera espaço, mantendo o sistema a uma pressão constante. Esta mistura geralmente separa uma parte de combustível para cada 15 partes de ar, entretanto dosagens diferentes podem melhorar o desempenho do motor dependendo da necessidade. Nesta fase do processo ainda não há nenhum princípio termodinâmico envolvido.

==== Fase 2 ====
Em seguida o pistão sobe e comprime a mistura gasosa. Essa compressão pode ser considerada uma [[transformação adiabática]], pois é muito rápida e não permite que o gás troque calor com o meio externo. Nesse ponto a temperatura e a pressão do gás estão muito elevadas.

Deve-se lembrar que o motor precisa estar em movimento para funcionar, ou seja, o pistão deve ser acionado e estar em movimento antes de ser adicionada a mistura gasosa e o motor iniciar seu funcionamento normal. Essa partida do pistão era feita com uma manivela nos primeiros veículos, e atualmente é feita por um [[motor elétrico]] auxiliar ([[motor de arranque]]), alimentado pela [[Bateria automotiva|bateria do carro]].

==== Fase 3 ====
Na terceira fase do processo, uma faísca (como a do fogão automático) faz com que o gás entre em combustão. Quando as [[molécula]]s do [[combustível]] entram em combustão há um rompimento de ligações químicas e esse processo origina novos gases (CO<sub>2</sub> e H<sub>2</sub>O). A pressão gerada pelo aumento do [[volume]] pode ser relacionada pela [[lei dos gases ideais]], e é essa pressão que empurra o pistão e mantém o movimento contínuo do sistema mecânico. Essa expansão do gás em combustão também é um processo adiabático devido a velocidade com que o pistão desce e retorna a pressão inicial do sistema.

==== Fase 4 ====
Nesta última etapa os gases queimados precisam ser expulsos do cilindro para recomeçar o processo. Devido a [[inércia]], o pistão é impulsionado para cima e nesse momento a [[válvula (motor)|válvula]] de escape abre e os gases são empurrados para fora. Esse processo também é [[isobárico]] pois o pistão não comprime os gases, apenas os empurra para fora.

=== Motor de combustão externa ===
==== Motor Stirling ====
{{Principal|Motor Stirling|Ciclo Stirling}}
[[Imagem:Beta Stirling animation.gif|thumb|x235px|direita|Motor Stirling]]
O motor Stirling, também conhecido como "motor de ar quente" ou "motor de gás quente"<ref>''Free Piston Stirling Engines.'' Autores: Graham Walker & J.R. Senft. Springer Science & Business Media, 2012, pág. 01, {{en}} ISBN 9783642825262 Adicionado em 12/06/2018.</ref> opera aproveitando a [[Dilatação térmica|expansão/retração térmica]] dos gases. Qualquer gás, quando aquecido expande-se e, retrai-se quando resfriado.<ref name="Modern Engineering Thermodynamics">''Modern Engineering Thermodynamics.'' Autor: Robert T. Balmer. Academic Press, 2011, pág. 524, {{en}} ISBN 9780080961736 Adicionado em 12/06/2018.</ref> Assim o "motor de ar quente" aproveita tal característica dos gases para criar [[movimento]].<ref name="Modern Engineering Thermodynamics"/> Como a fonte de calor/combustão trabalha fora da câmara (ou [[cilindro (motor)|cilindro]]), tal motor é definido como ''motor de combustão externa''.<ref>''Energy Performance of Buildings: Energy Efficiency and Built Environment in Temperate Climates.'' Autores: Sofia-Natalia Boemi, Olatz Irulegi & Mattheos Santamouris. Springer, 2015, pág. 300, {{en}} ISBN 9783319208312 Adicionado em 12/06/2018.</ref> Teoricamente, o motor Stirling seria a máquina térmica mais eficiente na conversão de energia térmica em [[trabalho (física)|trabalho]].<ref>''Energy Conversion.'' Autores: D. Yogi Goswami & Frank Kreith. CRC Press, 2007, pág. 12-1, {{en}} ISBN 9781420044324 Adicionado em 12/06/2018.</ref>

==== Motor a vácuo ====
{{Principal|Motor a vácuo}}
[[Imagem:KURBEL-4 Vakuum-Motor Funktion.gif|thumb|180px|esquerda|<center>Motor a vácuo</center>]]
Pode-se definir o [[motor a vácuo]] como sendo de ciclo aberto e combustão externa.<ref name="Termodinâmica - 7ed">[[Google Livros]] - [https://books.google.com.br/books?id=jAI5AgAAQBAJ&pg=PA487&dq=motores+ciclos+abertos&hl=pt-BR&sa=X&ved=0ahUKEwjU7ryzk4jdAhWCHpAKHaNEBHkQ6AEIJzAA#v=onepage&q=motores%20ciclos%20abertos&f=false ''Termodinâmica - 7ed.''] Acessado em 26/08/2018.</ref> Também é denominado "lambe chama" (''flame licker''),<ref>Google Livros - [https://books.google.com.br/books?id=KpYoAQAAIAAJ&q=flame-licker+engine&dq=flame-licker+engine&hl=pt-BR&sa=X&ved=0ahUKEwjy1OTs9YXdAhWBhJAKHWYVAxgQ6AEIJzAA ''The Newcomen Bulletin, Edições 128-142.''] {{en}} Acessado em 26/08/2018.</ref> "motor de chama" (''flame engine''), "dançarino de chama" (''flame dancer'') <ref>[https://www.youtube.com/watch?v=7675FW33fb4 YouTube] - ''Cool flame dancer engine running on butane!'' Ernest Benton. Publicado em 26 de out de 2017, {{en}} Acessado em 26/08/2018.</ref> e "comedor de fogo"<ref>[https://www.youtube.com/watch?v=zd3lbG5IdXw YouTube] - ''Motor Comedor de Fogo.'' Jesus batista de oliveira. Publicado em 12 de jul de 2013. Acessado em 26/08/2018.</ref> pela forma de seu funcionamento.{{clr}}

=== Motor a vapor ===
{{Principal|Motor a vapor|Turbina a vapor}}
A [[locomotiva a vapor]] ficou conhecida como Maria Fumaça devido a coluna de vapor e fuligem que marcava o caminho do primeiro vagão. Geralmente, o material que fornece energia térmica ([[carvão]], [[lenha]]) era levado nesses primeiros vagões. Além desse combustível, a máquina precisa de [[água]], que vai absorver essa energia e liberá-la realizando trabalho para dar movimento ao transporte. A eficiência do motor a vapor é inferior a 10%. A animação abaixo ilustra as articulações ligadas ao pistão e nos ajuda a compreender como o movimento de vai-e-vem pode girar uma [[roda]]. Entretanto, a classificação de '''máquina térmica''' para este sistema está relacionada com o vapor que empurra o pistão. É principalmente na [[caldeira]] da locomotiva, onde o combustível é queimado, o lugar em que os conceitos da termodinâmica podem ser melhor observados.

A energia térmica proveniente do material em combustão aquece um reservatório com água. Essa transferência de calor pode ser calculada pela diferença de temperatura, pelo volume de água que vira [[vapor de água]] e pelo [[calor específico]] da água. Esse vapor sobe e uma válvula permite que ele entre no cilindro onde está o pistão. Uma vez que não há mais espaço, e, sabendo que o volume do vapor continua crescendo conforme mais energia é transferida para o reservatório de água, a pressão dentro do cilindro aumenta até que o pistão é empurrado e seu movimento abre outra válvula que libera o vapor.

Uma vez iniciado o movimento, o pistão retorna a posição inicial devido a sua inércia e isso faz com que a válvula permita que o vapor do reservatório ocupe o espaço do cilindro, completando o ciclo.<ref name=Schmidt>{{citar livro|último =[[Frank Schmidt|Schmidt, Frank]] e [[Robert Henderson|Henderson, Robert]]|título=Introdução às Ciências Térmicas|ano=1996 |publicado=Edgard Blusher|local=}}</ref>

{| class="wikitable"
|[[Imagem:Steam locomotive work.gif|x150px]]
|[[Imagem:Locomotiva FS 625.100 (09).jpg|x165px]]
|[[Imagem:Steam Engine.ogv|x165px]]
|-
! Pistão (na área em rosa) de uma <br />locomotiva a vapor trabalhando e...
! ... a imagem da peça real <br />exibida na animação.
! Vídeo de uma [[Eolípila]], <br />considerado um <br />dos primeiros motores <br />a vapor documentados.
|}

=== Geladeira ===
{{Principal|Geladeira}}
{{AP|vt=s|Motor Schukey}}
[[Imagem:Refrigerator-cycle.svg|thumb|esquerda|300px|Ciclo de refrigeração]]
A geladeira ou frigorífico é uma das máquinas que revolucionou a vida do homem. Entretanto, pouco pensamos sobre seu [[ciclo de refrigeração]]. Quanta [[física]] há no processo de resfriar a comida? O equipamento pode ser caracterizado como uma máquina térmica onde estamos interessados no calor dissipado, e não no trabalho realizado. Parece errado, depois de tudo o que vimos, pensar que quanto mais calor for dissipado melhor será o rendimento da geladeira, mas é exatamente isso.<ref name= Schmidt/>

O processo de refrigeração é um ciclo térmico, ilustrado na imagem da esquerda.

==== Fase 1 ====
O [[hidrofluorocarboneto]] é o gás atualmente utilizado em refrigeradores e ar-condicionados. É ele quem faz o ar dentro da geladeira esfriar, graças a troca de calor por [[Condução térmica|condução]] e por [[convecção]]. Inicialmente esse gás percorre a serpentina exterior da geladeira, também chamada de [[radiador]], para que fique à [[temperatura ambiente]]. Essa serpentina geralmente fica atrás do equipamento, mas pode ficar em qualquer lugar desde que fique à temperatura ambiente.

==== Fase 2 ====
Na segunda fase do ciclo o gás passa por um pequeno capilar e em seguida entra em uma tubulação com um volume maior do que o pequeno capilar onde se encontrava. Essa mudança de volume diminui a pressão do gás e sua temperatura, deixando a tubulação gelada. Essa relação entre [[pressão]] [[temperatura]] e [[volume]] é conhecida como [[equação de estado]].

[[Imagem:Empty refrigerator.jpg|thumb|150px|esquerda|Geladeira vazia]]

==== Fase 3 ====
Já resfriado o gás passa por uma outra [[Destilação|serpentina]], deixando o material mais gelado. É nessa parte que a geladeira começa a gelar: o ar troca calor com a serpentina por condução e fica mais denso que o resto do ar da geladeira. Esse ar mais pesado troca de lugar com o ar quente por [[convecção]] e o ar quente entra em contato com a serpentina, tornando-se frio também. Essa serpentina precisa estar na parte mais alta da geladeira para que o processo de convecção ocorra e a temperatura interna fique aproximadamente igual.

==== Fase 4 ====
É na quarta fase do processo que realizamos trabalho sobre o sistema, ou seja, fazemos exatamente o contrário do que vinhamos fazendo até agora com as máquinas térmicas. Um [[motor elétrico]] é utilizado para comprimir o gás gelado e fazer com que ele volte a tubulação externa a uma pressão muito maior do que a anterior. Ao elevar a pressão também aumentamos a temperatura, ou seja, o gás sai mais quente do que estava dentro da geladeira. Além de estar mais quente do que antes, ele precisa estar mais quente do que a temperatura ambiente, para que o sistema dissipe perca calor. Além de elevar a temperatura, o [[compressor]] empurra o gás para que o ciclo continue.

=== Turbinas ===
{{Principal|Turbina}}
[[Imagem:DR T18.1001 1923.jpg|thumb|x113px|direita|[[Locomotiva com turbina a vapor]]]]
O termo '''turbinas''' é utilizado aqui para caracterizar qualquer sistema que utilize os princípios da termodinâmica para converter algum tipo de energia em energia elétrica. A explicação resume bem essa sessão de máquinas térmicas, pois em geral o mecanismo de transformação é o mesmo: uma [[hélice]] (ou pá) que gira uma turbina, podendo esta ser um motor ou um corpo com propriedades magnéticas.<ref name=Schmidt/>

==== Usina nuclear ====
{{Principal|Central nuclear}}
Esse processo fica bem claro em uma usina nuclear, pois o calor gerado no processo (seja ele [[fissão nuclear|fissão]] ou [[Fusão nuclear|fusão]]) é convertido, em parte, em energia elétrica por um processo termodinâmico.

Funciona da seguinte maneira: A partir de um processo nuclear de fissão ou fusão é extraída energia de materiais radioativos, e essa energia é liberada no ambiente na forma de calor. Esse ambiente é uma câmara com água, que esquenta muito rápido e evapora, originando colunas gigantes de vapor. A câmara é completamente vedada, a não ser a superfície, que é obstruída por um conjunto de pás giratórias. Devido a imensa pressão do vapor d'água as hélices gigantes giram e liberam o gás aos poucos. Esse movimento rotatório das pás é propagado para algum [[Eixo (mecânica)|eixo de motor]] ou corpo magnético, que vai acabar gerando energia elétrica usando os mesmos princípios de uma [[usina hidrelétrica]], por exemplo.

{| class="wikitable"
|[[Imagem:Steam-electric power plant.PNG|x220px]]
|[[Imagem:Angra dos Reis - usinas nucleares.jpg|x220px]]
|-
! [[Usina termoelétrica|Planta de um gerador de energia elétrica]] <br />seguindo os princípios da termodinâmica.
! [[Usina nuclear de Angra dos Reis]].
|}

== Ver também ==
{{div col}}
* [[Bomba de calor]]
* [[Máquina de Carnot]]
* [[Refrigeração termoacústica]]
* [[Efeito magnetocalórico]]
{{div col end}}

{{Referências}}

{{Ciclo termodinâmico}}
{{Controle de autoridade}}
{{Portal3|Física}}

{{DEFAULTSORT:Máquina térmica}}
[[Categoria:Termodinâmica]]