Máquinas térmicas, funcionamento e usos | Parte II

RKA - Olá, meu amigo ou minha amiga. Tudo bem com você? Seja muito bem-vindo ou bem-vinda a segunda parte de nossa aula sobre as máquinas térmicas.

E, nesta segunda parte, nós vamos conversar sobre o trabalho mecânico, sobre a energia térmica e, também, sobre a primeira lei da termodinâmica que é uma lei física que nos ajuda a compreender o funcionamento de uma máquina térmica. Mas como funciona uma máquina térmica? Eu falei com você, na aula passada, que uma máquina térmica é um dispositivo capaz de realizar trabalho mecânico e, com isso, converter energia térmica em energia mecânica.

Bem, para entender isso legal, podemos fazer um pequeno esquema aqui, tá? As máquinas térmicas precisam de uma fonte térmica que pode ser obtida através do processo de combustão. Por exemplo, ao colocar fogo em algum combustível fóssil, seja ele gás, gasolina ou carvão, será liberada uma certa quantidade de energia térmica.

Essa energia pode ser utilizada para movimentar alguma coisa, por exemplo, um carro. Repare que nesse processo tivemos a energia térmica sendo convertida em energia mecânica. E, para isso, foi necessário a realização de trabalho mecânico.

Bem, vamos entender cada uma dessas coisas nesse processo. Para isso, vamos utilizar uma panela de pressão que é um ótimo exemplo de uma máquina térmica, embora ela não seja utilizada para outras coisas a não ser cozinhar o feijão. Claro, para fazer uma feijoada, uma carne cozida também.

Tudo bem. Mas a ideia aqui não é essa. A ideia é entender o princípio de funcionamento da válvula desta panela de pressão.

Quando colocamos água na panela de pressão e a levamos ao fogo, a temperatura da água aumenta e a pressão interna também. Consequentemente, depois de um certo tempo, o vapor da água vai começar a sair pela válvula da tampa da panela, a fim de não deixar a pressão interna ficar maior que a suportada pela panela. Mas, nesse processo, temos a energia térmica sendo convertida em energia mecânica, através da realização de um trabalho mecânico.

A energia térmica é a energia associada à temperatura e ao calor. Então, quando queimamos um combustível fóssil, no nosso exemplo aqui, o gás de cozinha, a energia presente nesse combustível é liberada em forma de energia térmica que é transportada para o interior da panela através do calor. Lembrando que o calor é uma forma de transferência de energia, então essa energia foi transferida ali da chama que foi produzida através do processo de combustão até o interior da panela.

Continuando aqui, ao receber essa energia em forma de calor, a temperatura no interior da panela aumenta e, com isso, há o aumento da energia interna. Para não ocorrer um aumento muito grande dessa energia interna, ocorre a vazão de vapor de água e, assim, parte dessa energia interna acaba sendo utilizada para movimentar a válvula da panela. Quando algo se movimenta dizemos que ele possui energia mecânica.

Então, nesse momento essa válvula possui energia mecânica, já que ela está se movimentando. O que costuma fazer algo adquirir ou perder energia mecânica é chamado de trabalho. O trabalho é uma palavra originada na revolução industrial e, de forma simples, podemos dizer que é o ato de realizar alguma atividade.

Na física, a palavra trabalho significa movimentar alguma coisa através da aplicação de alguma força. Então, quando você aplica uma força sobre um corpo e esse corpo se movimenta devido à aplicação dessa força, essa força está realizando um trabalho. Por isso, costumamos dizer que o trabalho realizado por uma força vai ser igual ao produto dessa força e o deslocamento que um corpo realiza quando ele está se movimentando.

Mas, enfim, isso daí é uma história para um outro vídeo. Tudo bem? A ideia é entender a relação entre trabalho, calor e energia mecânica.

Voltando aqui, é o período antes da revolução industrial. Inicialmente, o trabalho era realizado pela mão de obra humana e animal. Mas, com o surgimento das máquinas térmicas, o trabalho passou a ser realizado pelas máquinas.

Diga-se de passagem, em meados do século 19, James Prescott Joule, realizou um experimento mecânico para determinar o equivalente mecânico do calor. Ou seja, o quanto de calor que era necessário para uma máquina receber e realizar um certo trabalho. De acordo com os trabalhos realizados por Joule, para uma máquina realizar um trabalho e elevar uma caixa de 1kg em 42cm, é necessário 1 caloria.

Atualmente, meu amigo ou minha amiga, a unidade de medida de trabalho é chamada Joule. 1 joule é igual a 0,238 caloria. Ou 1 caloria é igual a 4,2 joules.

Isso, aproximadamente, claro. E isso corresponde à energia necessária para elevar um corpo de 1kg em 42cm. Ou seja, se você pegar 1kg de arroz e elevar esse pacote em 42cm de altura, você vai aplicar uma força que vai realizar um trabalho igual a 1 joule.

E, para isso, é necessário você queimar 4,2 calorias. É claro que estou falando isso daqui de forma ideal, tá? Até para você respirar, você está queimando calorias, você está consumindo energia presente no seu corpo para realizar, praticamente, todas as suas funções vitais.

Mas eu só quis dar esse exemplo aqui para você entender a relação entre trabalho mecânico e energia térmica. Beleza? Mas vamos lá, continuando aqui.

Com esse equivalente entre calor e trabalho, é possível determinar, exatamente, a energia térmica necessária para realizar um certo trabalho. Então, por exemplo, se o carro realiza um trabalho igual a 840 joules, qual é a energia térmica necessária para ele realizar esse trabalho? Realizando uma regra de três simples aqui sabemos que "x" é igual a 840 joules e que 1 caloria é igual a 4,2 joules.

Multiplicando cruzado, temos que "x" é igual a 1 caloria vezes 840 joules, dividido por 4,2 joules. Isso aqui é igual a 200 calorias. Viu como podemos saber exatamente quantas calorias são necessárias para que uma máquina realize um trabalho mecânico?

Isso é bem legal, não é? Outra coisa, também. De acordo com os trabalhos de Joule e tantos outros nessa época, conseguimos também chegar à conclusão de que, em todo o processo de funcionamento de uma máquina térmica, a energia se conserva.

Ou seja, a energia não vai surgir do nada e também não vai desaparecer. Ela apenas passa por processo de transformação. Isso, inclusive, ficou conhecido como primeira lei da termodinâmica.

A primeira lei da termodinâmica diz para gente que a variação da energia interna em uma máquina é igual à energia em forma de calor que essa máquina recebeu menos o trabalho realizado por essa máquina. Representamos a variação da energia interna com a letra grega ∆ (delta) e a letra E e colocamos aqui: interna, tá? Só para representar que isso é uma variação da energia interna.

Representamos o calor com a letra Q e representamos o trabalho com a letra W que vem da palavra inglesa "work", que significa trabalho. Mas, enfim, vamos voltar aqui ao caso da panela de pressão. Sabemos que ela possui uma energia interna.

Certo? A primeira lei da termodinâmica diz que se o fogo fornecer energia em forma de calor para a panela, a energia interna da panela vai aumentar. Mas se essa panela realizar trabalho, ela vai movimentar a válvula e, com isso, a energia interna da panela vai diminuir.

Entendeu a ideia? Se uma máquina recebe energia em forma de calor, a energia interna aumenta. Mas, ao realizar um trabalho mecânico, a energia interna dessa máquina diminui.

Mas, enfim, já conhecendo a primeira lei da termodinâmica, não podemos deixar de falar aqui que um pouco antes de Joules, existiu um técnico e engenheiro chamado James Watt que desenvolveu um processo muito interessante para as máquinas térmicas. Em 1763, Watt foi chamado para consertar o modelo de uma máquina de Newcomen, aquela máquina que falamos na aula passada. Lembra?

Durante o processo, o Watt reparou que o aquecimento e resfriamento do vapor dentro de um cilindro que fazia a máquina funcionar, levava o resfriamento desnecessário de toda a máquina. Com isso, ele pensou em vários tipos de melhoramentos que poderiam torná-la muito mais eficiente em termos energéticos. Ao pensar muito sobre isso, ele adicionou uma câmera de condensação separada para que tivesse duas fontes térmicas, uma quente e outra fria.

E, com isso, evitaria as perdas de energia verificadas por meio do resfriamento do cilindro. A ideia de Watt era simples, se temos uma máquina térmica que funciona em ciclos térmicos, a máquina que tinha apenas uma fonte térmica precisava aquecer e resfriar para fazer o vapor circular e realizar trabalho. Ao colocar duas fontes térmicas de temperaturas diferentes, esse vapor ou gás circularia entre essas duas fontes térmicas e, ao realizar esse ciclo, seria realizado trabalho.

Essa ideia aumentou e muito a eficiência das máquinas térmicas. E utilizamos esse princípio até hoje. Todas as máquinas térmicas funcionam em ciclos de temperaturas diferentes.

Isso inclui os motores dos automóveis, navios e aviões. Mas, algo que também funciona assim só que de forma contrária, são as máquinas térmicas invertidas. Se as máquinas térmicas utilizam a energia térmica para realizar trabalho e obter energia mecânica, as máquinas térmicas invertidas realizam um trabalho a fim de movimentar um gás que irá transportar energia térmica em forma de calor de um ponto a outro de um sistema.

Como exemplo dessas máquinas, nós temos os resfriadores e os condicionadores de ar. A geladeira retira energia térmica de seu interior para o exterior. Tudo isso através do movimento de um gás que, literalmente, carrega o calor de dentro da geladeira para fora.

O mesmo acontece com o ar condicionado que retira a energia térmica de um ambiente e libera do lado de fora de uma sala. Bem, enfim, a gente poderia ficar aqui horas e horas conversando sobre as máquinas térmicas. Mas a ideia principal aqui é que você conheça os princípios por trás do funcionamento de uma máquina térmica e quais as leis físicas que explicam o seu funcionamento.

Quero aproveitar o momento aqui e deixar para você um grande abraço e dizer que te encontro na próxima aula.