01 Termodinâmica

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TERMODINAMICA 
 
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Termodinâmica 
A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela 
letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que en-
volve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. É através das variações de tempera-
tura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que 
ocorrem na natureza. 
 
Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes 
entre os corpos ou sistemas envolvidos. 
Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho. 
A termodinâmica tem como principais pontos o estudo de duas leis, que são: 
 
- Primeira Lei da Termodinâmica: essa lei diz que a variação da energia interna de um sistema 
pode ser expressa através da diferença entre o calor trocado com o meio externo e o trabalho reali-
zado por ele durante uma determinada transformação. 
 
As transformações que são estudadas na primeira lei da termodinâmica são: 
 
Transformação isobárica: ocorre à pressão constante, podendo variar somente o volume e a tempe-
ratura; 
Transformação isotérmica: ocorre à temperatura constante, variando somente as grandezas de 
pressão e volume; 
Transformação isocórica ou isovolumétrica: ocorre à volume constante, variando somente as 
grandezas de pressão e temperatura; 
Transformação adiabática: é a transformação gasosa na qual o gás não troca calor com o meio ex-
terno, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre de forma tão rápida 
que o calor trocado é desprezível. 
 
- Segunda Lei da Termodinâmica: enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, essa lei faz restrições 
para as transformações realizadas pelas máquinas térmicas como, por exemplo, o motor de uma ge-
ladeira. Seu enunciado, segundo Carnot, diz que: 
 
Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma 
fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo é retirada uma quantidade de calor da fonte 
quente, que é parcialmente convertida em trabalho e a quantidade de calor restante é rejeitada para a 
fonte fria. 
Termoquímica e Termodinâmica 
Apesar de denominação semelhante, a termoquímica e a termodinâmica abordam campos de estudo 
bastante distintos, constituindo a primeira um capítulo da química e a segunda um capítulo da física. 
Além de conceituações e exemplificações, este texto visa explicitar algumas das diferenças encontra-
das referente aos seus objetivos e objetos de estudo, sem, no entanto, maiores aprofundamentos. 
A maioria dos processos físicos e das reações químicas é acompanhada de troca de energia (sob a 
forma de calor, que pode ser percebida pela utilização de um termômetro) entre reagentes e produ-
tos, ou seja, ocorre absorção ou liberação de calor no desenvolvimento do processo. Esse calor trata-
se de uma forma de energia. Entretanto, a ciência estuda a energia basicamente sob dois aspectos 
distintos: o calor e o trabalho. Quando a energia está sob a forma de calor é medida por meio de um 
termômetro e expressa em calorias; quando está sob a forma de trabalho é expressa em joules. O 
esquema abaixo sintetiza esse processo. 
 
TERMODINAMICA 
 
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Quando a energia se apresenta sob a forma de calor é estudada na química em um capítulo cha-
mado termoquímica; quando se apresenta sob a forma de trabalho é estudada pela física, em um ca-
pítulo denominado termodinâmica. Por definição, a termoquímica é o ramo da química responsável 
pelo estudo das variações caloríficas existentes em um processo, já a termodinâmica é o ramo da fí-
sica que pode ser definido como aquele responsável pela caracterização do trabalho produzido em 
máquinas térmicas, por exemplo. Abaixo é mostrado um esquema conceitual que resume as informa-
ções apresentadas. 
 
A unidade de medida mais utilizada para a medição do calor é a caloria, sendo que uma caloria pode 
ser definida como o a quantidade de calor necessária para elevar em 1°C a temperatura de 1g de 
água. Já para a unida de medida utilizada na medição do trabalho aparece o Joule como referência, 
sendo que um joule pode ser definido como o trabalho necessário para deslocar um corpo de 1N pela 
distância de 1m. 
No que tange à termoquímica, dependendo da natureza do processo, podemos classificá-lo de dois 
modos distintos: aqueles que liberam calor e aqueles que absorvem calor. Um processo que libera 
calor é denominado exotérmico, um processo que absorve calor é denominado endotérmico. No que 
tange à termodinâmica, é comum atribuirmos a classificação de espontâneos para aqueles que ocor-
rem com desenvolvimento de trabalho mecânico e não espontâneos para aqueles nos quais há forne-
cimento de trabalho mecânico. 
Termodinâmica 
A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações de troca entre o calor e o trabalho reali-
zado na transformação de um sistema físico, quando esse interage com o meio externo. Ou seja, ela 
estuda como a variação da temperatura, da pressão e do volume interfere nos sistemas físicos. O es-
tudo e o desenvolvimento da termodinâmica surgiram da necessidade de criar máquinas e de aumen-
tar a eficiência das máquinas existentes naquela época, as máquinas a vapor. 
 
O estudo desse ramo parte das Leis da Termodinâmica, leis essas que postulam que a energia pode 
ser transferida de um sistema para outro na forma de calor ou trabalho. E ainda postulam a existência 
de uma quantidade denominada de entropia, a qual pode ser determinada para todos os sistemas. 
A termodinâmica teve início em 1650, com Otto Von Guericke. Ele foi o responsável pela criação da 
primeira bomba a vácuo do mundo, além de criar o primeiro vácuo artificial através das esferas de 
Magduberg. Anos mais tarde Robert Boyle ficou sabendo dos experimentos de Otto, e em parceria 
com Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Através dessa bomba, Boyle e Hooke perceberam a 
relação entre pressão, volume e temperatura, e através dessa descoberta Boyle formulou uma lei que 
estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Essa lei ficou conhecida como 
Lei de Boyle. 
Estudos posteriores, baseados nos conceitos de pressão, temperatura e volume, fizeram por surgir a 
primeira máquina a vapor, com Thomas Savery. As máquinas daquela época eram muito grandes e 
robustas, mas atraíam a atenção de muitos cientistas, como foi o caso de Sadi Carnot. Denominado 
de o “pai da termodinâmica” em 1824 fez a publicação de “Reflexões sobre a Potência Motriz do 
Fogo”, nessa sua publicação ele fazia um discurso sobre o calor, a eficiência e a potência das máqui-
nas a vapor. Esse fato marcou o início da Termodinâmica como ciência moderna. 
 
Leis da Termodinâmica 
 
O estudo da termodinâmica se baseia em leis que foram estabelecidas experimentalmente, veja: 
 
Lei zero da Termodinâmica: diz que quando dois corpos possuem temperaturas iguais em relação a 
um terceiro, diz-se que eles têm igualdade de temperatura entre si. 
 
https://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2013/09/termoquimica-termodinamica2.jpg
TERMODINAMICA 
 
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Primeira Lei da Termodinâmica: ela fornece um aspecto quantitativo da conservação da energia. 
Lembrando que a conservação da energia diz que “na natureza nada se perde nada se cria, tudo se 
transforma”. 
 
Segunda Lei da Termodinâmica: fornece aspectos qualitativos de processos em sistemas físicos, 
ou seja, ela diz que um processo pode ocorrer tanto em uma direção como em outra. 
 
Terceira Lei da Termodinâmica: diz respeito a um ponto de referência para fazer a determinação da 
entropia do sistema. 
Transformações Termodinâmicas 
Quando um sistema muda de um estado para o outro, diz-se que o sistema sofre um processo (ou 
transformação). Essas transformações podem ser reversíveis ou irreversíveis. 
Processos reversíveis são aqueles que, teoricamente,são completamente reversíveis, podendo reali-
zar a trajetória inversa do processo. Tomemos como exemplo um copo de água no estado líquido. 
Colocamos esse copo com água no interior de um refrigerador de baixa temperatura de modo que 
esta seja suficientemente baixa para ocasionar a mudança de estado para o sólido. Pois bem se, de-
pois de transcorrido determinado tempo, retirarmos esse copo com água congelada e deixarmos a 
uma temperatura ambiente de 20oC, a água vai receber energia térmica do meio ambiente e tornará 
a ficar líquida. Esse é um exemplo bastante prático de um processo reversível. 
Uma forma bastante útil de se verificar a consistência de um processo em termos de reversibilidade é 
pensar na conservação de energia do sistema. Quando a energia do sistema se conserva, o processo 
será reversível: imagine uma bola de basquete lançada verticalmente para cima. Enquanto ela está 
subindo, ela diminui sua velocidade, diminuindo sua energia cinética e acumula energia potencial. Su-
pondo que não haja atrito com o ar, a bola ao cair, retoma energia cinética e perde energia potencial 
ocasionando um acréscimo na sua velocidade. Isso acontece até que ela retorne ao ponto de partida 
com a mesma velocidade inicial. 
Os processos irreversíveis são aqueles que só podem ser executados em um sentido, sem que haja 
a possibilidade da manutenção do processo ao primeiro estado. Imagine um ovo de uma ave. Ima-
gine você faminto, querendo preparar uma pequena omelete com apenas um ovo. Agora imagine 
você deixando esse ovo se espatifar no chão. . . Que azar hein. . . Esse é o um tipo de evento que 
representa um processo irreversível: a partir do ovo espatifado você não pode tê-lo novamente no es-
tado "inteiro". Outro exemplo seria pensar em termos de conservação de energia. Veja um automóvel 
que vem em alta velocidade onde o motorista aciona bruscamente o sistema de freios. O resultado é 
o carro "queimando" os quatro pneus no asfalto. Os pneus "queimam" porque o atrito é tão grande 
entre os pneus do automóvel e o asfalto que a temperatura aumenta a valores bastante altos, ocasio-
nando a fusão e leve combustão da borracha. 
Embora um processo reversível ideal não seja possível na prática, torna-se, contudo, importante o 
seu modelo físico, já que pode ser desenhado graficamente como nas coordenadas pV e usando vá-
rias formas para avaliar processos reais ou o resultado destes. Observe o diagrama que segue: 
 
TERMODINAMICA 
 
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Este diagrama representa um processo cíclico reversível. Os estados do sistema são denominados A, 
B, C e D. Para cada estado, há pelo menos um valor de pressão e volume. A trajetória entre os esta-
dos define-se como o processo. Então temos o processo AB, BC, CD e DA. Mas para o fim do pro-
cesso, termodinamicamente, não importa se o sistema saiu de A e foi a C passando por B, ou ainda, 
se o sistema sai de A e vai diretamente a C. 
Pode ser demonstrado que qualquer mudança nos valores de várias propriedades físicas durante um 
processo termodinâmico qualquer depende somente do estado inicial e final do sistema, sendo inde-
pendente a trajetória do processo, ou seja, a maneira de como ele se dá. De outra forma a quanti-
dade de energia térmica transferida e/ou a quantidade de trabalho realizado durante um processo ter-
modinâmico depende da forma como se desenrola o processo, isto é, da trajetória do processo. Em 
consequência disso, as propriedades físicas do sistema são conhecidas como funções de estado, en-
quanto que as transferências de energia, seja como calor ou trabalho, são conhecidas como funções 
de trajetória. Veja as animações e compare-as quanto às trajetórias e o trabalho realizado. 
 
 
De acordo com o visto anteriormente, podemos dizer então que o trabalho realizado por um processo 
termodinâmico é a área debaixo do processo solicitado. Assim também podemos inferir que o traba-
lho de um ciclo termodinâmico fechado é a área da figura geométrica interna que o representa (o que 
é bastante útil, já que geralmente é mais fácil determinarmos a área de figuras geométricas regulares 
do que a área debaixo de algumas funções). 
Assim no primeiro diagrama pV, temos um ciclo termodinâmico fechado num retângulo. Para determi-
narmos o trabalho realizado neste ciclo basta apenas determinarmos a área deste retângulo fazendo, 
por exemplo, base (CD) vezes altura (DA). Se as unidades de pressão e volume estiverem no sistema 
internacional, teremos N/m2 a unidade de pressão e m3 a unidade de volume. Assim a unidade de tra-
balho correspondente é o Joule. 
TERMODINAMICA 
 
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W = Área ou W = p. ΔV, 
onde: 
- W (trabalho) é dado em Joules; 
- p (pressão) dada em N/m2; 
- ΔV (V - V0) dado em m3. 
Aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas 
Máquinas térmicas 
Segundo o postulado de Lord Kelvin, é impossível transformar em trabalho toda a energia sob a 
forma de calor extraída de uma única fonte, logo, a fracção de energia sob a forma de calor que não é 
utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior. 
Assim, as máquinas térmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de energia sob a 
forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espon-
taneamente da fonte quente, isto é, a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte 
com temperatura inferior. 
Por exemplo, na máquina a vapor, um cilindro move-se devido à expansão do gás no seu interior, 
causada pela energia proveniente do aquecimento de água numa caldeira (fonte de energia sob a 
forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia não é transformada em trabalho, e passa por 
condução térmica para os arredores da máquina (fonte com temperatura inferior). 
O princípio de funcionamento de uma máquina térmica pode ser esquematizado pela figura 1: 
 
TERMODINAMICA 
 
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Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica. 
Deste modo, o trabalho fornecido pela máquina é igual à diferença entre as quantidades de energia 
sob a forma de calor trocadas: 
W = |Qq| = |Qf| 
Rendimento das máquinas térmicas 
Um dos principais objetivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendi-
mento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o tra-
balho que a máquina fornece, W, e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente, Qq, e sem 
o qual ela não poderia funcionar. 
 
Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma má-
quina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo, isto é, se a máquina não transfe-
risse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1. 
No entanto, não é possível construir máquinas térmicas onde, ciclicamente se transforme toda a ener-
gia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2ª lei da 
termodinâmica. 
 
Fig. 2 - Esquema de uma máquina térmica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica. 
Máquinas frigoríficas 
TERMODINAMICA 
 
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Segundo o postulado de Clausius, é impossível transferir energia sob a forma de calor de forma es-
pontânea, de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que tal aconteça, é necessário fornecer tra-
balho ao sistema, e, nesse caso, temos uma máquina frigorífica. 
As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca congeladora, recebem trabalho (através da 
energia eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de modo a retirarem energia sob a forma 
de calor do seu interior, transferindo-a por condução para o exterior. 
Deste modo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma temperatura baixa, próxima de 0 ºC, en-
quanto que a parte de trás de um frigorífico está normalmente a uma temperatura superior à do meio 
ambiente onde se encontra.O princípio de funcionamento de uma máquina frigorífica encontra-se esquematizado na figura 3: 
 
Fig. 3 - Esquema de uma máquina frigorífica. 
Deste modo, a energia sob a forma de calor que é transferida para a fonte quente é igual à soma da 
energia sob a forma de calor retirada à fonte fria, com o trabalho necessário para que ocorra esse 
fluxo de energia: 
|Qq| = W + |Qf| 
Eficiência das máquinas frigoríficas 
A eficiência de uma máquina frigorífica é tanto maior, quanto maior for a quantidade de energia sob a 
forma de calor que retirar da fonte fria, ou seja, do interior do frigorífico, para a mesma quantidade de 
trabalho fornecido pelo motor do frigorífico. 
A eficiência de uma máquina frigorífica é o quociente entre a energia sob a forma de calor que sai da 
fonte fria, Qf, e o trabalho necessário para realizar essa transferência de energia: 
 
TERMODINAMICA 
 
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Ao contrário do rendimento de uma máquina térmica, a eficiência pode ser maior que 1. A eficiência 
típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Por exemplo, se a eficiência for igual a 5, então o 
frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorífico) para a fonte quente (exterior), por 
cada 1 J de energia eléctrica que consome. 
Seria impossível que a máquina frigorífica retirasse energia da fonte fria, sem receber qualquer ener-
gia do exterior (sem receber trabalho), uma vez que tal não estaria de acordo com a 2ª lei da termodi-
nâmica. 
 
Fig. 4 - Esquema de uma máquina frigorífica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica. 
Máquinas Térmicas 
As máquinas térmicas são máquinas capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ci-
clos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde recebem ca-
lor e uma fonte fria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado. 
A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas não transformam todo o calor em tra-
balho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%. 
TERMODINAMICA 
 
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Rendimento de uma Máquina Térmica 
Usando o princípio de conservação de energia, temos: 
Q1 = t + Q2 → t = Q1 – Q2 
O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre a potência útil, trabalho produzido pela má-
quina térmica, e a potência total calor fornecido a máquina térmica pela fonte quente: 
 
 
Máquinas Térmicas 
Máquinas térmicas são máquinas capazes de realizar trabalho a partir da variação de temperatura 
entre uma fonte fria e uma fonte quente. A grande maioria dessas máquinas retira calor de uma fonte 
quente. Parte desse calor realiza trabalho e a outra parte é jogada para a fonte fria, definindo, dessa 
forma, a eficiência da máquina. Uma máquina térmica tem maior eficiência quando ela transforma 
mais calor em trabalho, portanto, rejeita menos calor para a fonte fria. 
 
No século passado, os cientistas estabeleceram de forma definitiva que o calor é uma forma de ener-
gia. No entanto, na Antiguidade já se sabia que o calor pode ser utilizado para produzir vapor e que 
este, por sua vez, poderia ser utilizado para realizar trabalho mecânico. Foi essa ideia que o inventor 
grego Heron teve no século I d. C. Heron construiu um dispositivo que era constituído por uma esfera 
de metal com dois furos, dos quais escapava ar quente (vapor) que era proveniente do aquecimento 
da água. 
Hoje, em linguagem moderna, o dispositivo criado por Heron é uma máquina térmica, ou seja, um dis-
positivo que transforma calor em trabalho mecânico. Contudo, o dispositivo criado por Heron não foi 
utilizado para produzir grandes quantidades de energia mecânica. Somente no século XVIII foram 
construídas as primeiras máquinas capazes de realizar trabalhos em grandes escalas, ou seja, traba-
lhos industriais. 
TERMODINAMICA 
 
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As primeiras máquinas do século XVIII tinham rendimentos muito baixos, ou seja, consumiam gran-
des quantidades de combustível e realizavam pequenos trabalhos. Foi por volta de 1770 que o inven-
tor escocês James Watt apresentou um modelo de máquina que substituiu as máquinas que até en-
tão existiam, pois era mais eficiente e apresentava enormes vantagens. 
De maneira bem simplificada, podemos dizer que a máquina proposta por Joule retirava calor de uma 
fonte quente; com parte desse calor ele realizava um trabalho movendo um pistão e o restante ele re-
jeitava para uma fonte fria. 
 
A máquina proposta por Watt foi empregada nos moinhos e no acionamento de bombas d’água inici-
almente, mas posteriormente passou a ser empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Ela 
ainda passou a ser muito utilizada nas fábricas como meio para acionar dispositivos industriais. Esse 
foi um dos fatores que motivaram a Revolução Industrial. 
Máquinas Térmicas 
A palavra máquina origina-se do grego mechane que significa qualquer dispositivo engenhoso ou in-
venção. Uma máquina é definida como um aparelho composto por várias partes com funções defini-
das. 
Heron de Alexandria, que viveu por volta de 130 a. C., era um grande inventor. Catalogou os primei-
ros instrumentos chamados de máquinas simples: a alavanca, a roda e eixo, a roldana, a cunha e a 
rosca. 
A máquina térmica é um dispositivo que transforma a energia interna de um combustível em energia 
mecânica. Também pode ser definida como o dispositivo capaz de converter calor em trabalho. 
Tanto as máquinas térmicas a vapor, que operam com o vapor d'água produzido em uma caldeira, 
quanto as máquinas térmicas de combustão interna que operam devido aos gases gerados pela 
queima de combustíveis, têm seu funcionamento baseado no aumento da energia interna das subs-
tâncias envolvidas e no trabalho realizado, e tanto a energia interna, quanto o trabalho, dependem da 
quantidade de energia na forma de calor que foi transferida à substância. 
As máquinas térmicas fazem conversão de energia? 
As máquinas devem realizar trabalho mecânico como elevar, movimentar ou misturar e seu funciona-
mento depende de um combustível, ou fonte de energia, logo elas transformam algum tipo de energia 
em energia mecânica. 
Em geral, elas convertem a energia do combustível em energia térmica de um gás através do pro-
cesso de combustão e o gás se expande, realizando trabalho enquanto sua temperatura diminui. 
Há conservação de energia nas máquinas térmicas? 
A conservação de energia é um Princípio que se aplica a qualquer sistema, assim como a conserva-
ção de massa. 
As máquinas térmicas obedecem a Primeira Lei da Termodinâmica, pois parte da energia na forma 
de calor (Q) que recebem, é transformada em trabalho (T). Esta é a parte de energia útil. A outra 
parte é transformada em variação de energia interna, U, esta parte representa a quantidade de 
energia degradada ou não aproveitada, de modo que: Q = T + U. 
Portanto, a soma do trabalho realizado pela máquina com o aumento da energia interna deve ser 
igual à quantidade de energia que lhe foi fornecida. 
E se realizarmos trabalho ao invés de adicionarmos calor ao sistema? 
Segundo a Primeira Lei da Termodinâmica, deverá haver um aumento da energia interna. Esse é um 
caso simples que ocorre em nossa vida diária quando, por exemplo, esfregamos as mãos. O trabalho 
mecânico que realizamos faz com que a energia interna aumente e as mãos se aqueçam. O mesmo 
ocorre quando enchemos o pneu de uma bicicleta com uma bomba manual. 
TERMODINAMICA 
 
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É possível construir uma máquina que realize trabalho continuamente sem consumo de ener-
gia? 
Uma máquina deste tipo chama-se moto-perpétuo ou moto contínuo e produziria trabalho a partir do 
nada. Isto é impossível, pois viola o Princípio da Conservação da Energia ou a Primeira Lei da Ter-
modinâmica. 
Máquinas em movimento perpétuo foram procuradas por muitos inventores e cientistas, inclusive Leo-
nardo da Vinci. Porém, um moto contínuo não existe, poissempre haverá perda de energia ou por 
atrito das peças ou por resistência do ar. 
Uma polia simples, por exemplo, seria um moto contínuo se, em condições ideais (sem atrito no eixo 
e sem resistência do ar), girasse indefinidamente, não realizando trabalho e nem trocando calor com 
o meio, logo pela Primeira Lei, 0=0+ U, assim U = 0, o que não viola a conservação de energia. 
Só que nas máquinas reais, uma parte da energia é degradada a cada ciclo e, então, um moto-perpé-
tuo, para funcionar teria que criar energia, o que viola o Princípio da Conservação de Energia ("A 
energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada de uma forma em outra"). 
Mesmo que toda a energia fornecida ao sistema fosse conservada, apenas uma parte seria reapro-
veitada para a realização de trabalho, pois pela Segunda Lei da Termodinâmica nenhuma máquina 
térmica converte todo calor em trabalho. 
Uma máquina funciona continuamente porque opera em CICLOS, ou seja, retorna ao seu estado ini-
cial passando por etapas intermediárias em um certo intervalo de tempo. 
Como é uma máquina térmica? 
 
 
Basicamente, uma máquina térmica é constituída por dois reservatórios, como mostra a figura. O ca-
lor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais 
baixa (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da termodinâmica e transformado parte do calor que sai 
da fonte quente em trabalho. 
Se só uma parte do calor foi convertida em trabalho, para onde foi o resto? 
A parte de calor que não foi utilizada para a realização de trabalho é cedida para a fonte fria ou é dis-
sipada, portanto, uma máquina térmica nunca rende o máximo. 
A Segunda Lei da Termodinâmica que diz que é impossível transformar todo calor em trabalho, re-
flete o fato de que nenhuma máquina térmica tem 100% de eficiência, portanto, o rendimento de tais 
máquinas é sempre inferior a 100%. 
Como sabemos o quanto pode render uma máquina térmica? 
Podemos calcular o rendimento de uma máquina térmica se sabemos o quanto de trabalho ela pro-
duz (T) e o quanto de calor foi fornecido pela fonte quente (Q). 
Matematicamente, podemos expressar o rendimento (R) por: R=T/Q, que resulta sempre em um valor 
menor do que 1 ou 100%. 
Se uma máquina recebe um calor Q1 da fonte quente, cede um calor Q2 para a fonte fria e realiza um 
trabalho (T), segundo o Princípio da conservação de energia: Q1 = T + Q2, logo o trabalho será: T = 
Q1 - Q2 e, portanto, o rendimento desta máquina será calculado por: 
TERMODINAMICA 
 
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 ou seja, , o que deixa claro que sua eficiência é menor do que 1. 
Obs. : a utilização do módulo de Q2 é necessária em função da Primeira Lei. 
Lembre-se: se o sistema recebe calor, a quantidade de calor é positiva (Q>0) e se o sistema cede ca-
lor, a quantidade de calor é negativa (Q<0); 
Nicolas Leonard Sadi Carnot, engenheiro francês, imaginou um ciclo ideal (Ciclo de Carnot), onde a 
eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico é máxima, mas com seus estudos, 
logo percebeu que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina 
a vapor, o que foi a base para a Segunda Lei da termodinâmica. 
Máquinas Térmicas 
Segundo o postulado de Lord Kelvin, é impossível transformar em trabalho toda a energia sob a 
forma de calor extraída de uma única fonte, logo, a fracção de energia sob a forma de calor que não é 
utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior. 
Assim, as máquinas térmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de energia sob a 
forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espon-
taneamente da fonte quente, isto é, a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte 
com temperatura inferior. 
Por exemplo, na máquina a vapor, um cilindro move-se devido à expansão do gás no seu interior, 
causada pela energia proveniente do aquecimento de água numa caldeira (fonte de energia sob a 
forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia não é transformada em trabalho, e passa por 
condução térmica para os arredores da máquina (fonte com temperatura inferior). 
O princípio de funcionamento de uma máquina térmica pode ser esquematizado pela figura 1: 
 
Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica. 
Deste modo, o trabalho fornecido pela máquina é igual à diferença entre as quantidades de energia 
sob a forma de calor trocadas: 
 
Rendimento das Máquinas Térmicas 
m dos principais objetivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendi-
mento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o tra-
balho que a máquina fornece, W, e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente, Qq, e sem 
o qual ela não poderia funcionar. 
TERMODINAMICA 
 
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Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma má-
quina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo, isto é, se a máquina não transfe-
risse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1. 
No entanto, não é possível construir máquinas térmicas onde, ciclicamente se transforme toda a ener-
gia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2ª lei da 
termodinâmica. 
 
Fig. 2 - Esquema de uma máquina térmica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica. 
Máquinas Frigoríficas 
Segundo o postulado de Clausius, é impossível transferir energia sob a forma de calor de forma es-
pontânea, de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que tal aconteça, é necessário fornecer tra-
balho ao sistema, e, nesse caso, temos uma máquina frigorífica. 
As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca congeladora, recebem trabalho (através da 
energia eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de modo a retirarem energia sob a forma 
de calor do seu interior, transferindo-a por condução para o exterior. 
Deste modo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma temperatura baixa, próxima de 0 ºC, en-
quanto que a parte de trás de um frigorífico está normalmente a uma temperatura superior à do meio 
ambiente onde se encontra. 
O princípio de funcionamento de uma máquina frigorífica encontra-se esquematizado na figura 3: 
 
Fig. 3 - Esquema de uma máquina frigorífica. 
TERMODINAMICA 
 
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Deste modo, a energia sob a forma de calor que é transferida para a fonte quente é igual à soma da 
energia sob a forma de calor retirada à fonte fria, com o trabalho necessário para que ocorra esse 
fluxo de energia: 
 
Eficiência das máquinas frigoríficas 
A eficiência de uma máquina frigorífica é tanto maior, quanto maior for a quantidade de energia sob a 
forma de calor que retirar da fonte fria, ou seja, do interior do frigorífico, para a mesma quantidade de 
trabalho fornecido pelo motor do frigorífico. 
A eficiência de uma máquina frigorífica é o quociente entre a energia sob a forma de calor que sai 
da fonte fria, Qf, e o trabalho necessário para realizar essa transferência de energia: 
 
Ao contrário do rendimento de uma máquina térmica, a eficiência pode ser maior que 1. A eficiência 
típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Por exemplo, se a eficiência for igual a 5, então o 
frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorífico) para a fonte quente (exterior), por 
cada 1 J de energia eléctrica que consome. 
Seria impossível que a máquina frigorífica retirasse energia da fonte fria, sem receber qualquer ener-
gia do exterior (sem receber trabalho), uma vez que tal não estaria de acordo com a 2ª lei da termodi-
nâmica. 
 
Fig. 4 - Esquema de uma máquina frigorífica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica. 
Motores a Diesel e a Gasolina 
Ficha de Aprendizagem 
Um motor de um automóvelé composto por vários espaços cilíndricos, e, no interior de cada cilindro, 
desloca-se um êmbolo móvel ou pistão. O movimento dos pistões, devido à combustão da mistura 
gasosa de ar e combustível, é responsável por gerar trabalho, o qual é convertido no movimento de 
rotação das rodas de tracção do automóvel. 
No modelo de funcionamento de um motor a gasolina ocorrem seis processos em cada ciclo. O sis-
tema termodinâmico de interesse consiste no interior do cilindro acima do pistão, no qual decorrem as 
várias transformações durante o funcionamento do motor. 
TERMODINAMICA 
 
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O motor a gasolina designa-se também por motor de quatro tempos, uma vez que durante um ciclo 
existem duas compressões do volume acima do pistão e duas expansões de volume, havendo alter-
nância entre compressão e expansão. 
O processo cíclico que se verifica num motor a gasolina é praticamente semelhante ao ciclo de Otto, 
que se encontra representado no diagrama PV (pressão em função do volume) da figura 1. 
 
Fig. 1 - Diagrama PV do ciclo de Otto. 
Com base na figura 1, as seis etapas de cada ciclo de um motor a gasolina são: 
Etapa de O para A: o pistão move-se para baixo, a mistura gasosa de ar e gasolina entra para o cilin-
dro, à pressão atmosférica, e o volume aumenta de para . Assim, entrou energia para o sistema 
(interior do cilindro) sob a forma de energia potencial química das moléculas de gasolina. 
Etapa de A para B: o pistão move-se para cima e comprime adiabaticamente (sem que hajam trocas 
de energia sob a forma de calor) a mistura gasosa, do volume para o volume . Deste modo, a 
temperatura da mistura aumenta de para , e há a realização de trabalho sobre o gás. 
Etapa de B para C: a mistura gasosa está muito comprimida e encontra-se a uma temperatura supe-
rior à inicial, ocorrendo então uma pequena descarga eléctrica que provoca a combustão da mistura 
gasosa. Durante o curto espaço de tempo que dura esta etapa, a pressão e a temperatura no interior 
do cilindro aumentam rapidamente, com a temperatura a aumentar de para . No entanto, o vo-
lume permanece praticamente constante devido ao intervalo de tempo ser muito curto, logo, não 
existe trabalho realizado pelo sistema, ou sobre o sistema. 
Etapa de C para D: os gases resultantes da combustão expandem adiabaticamente do volume
para o volume . Esta expansão adiabática provoca a descida de temperatura de para , sendo 
realizado trabalho pelo gás, ao empurrar o pistão para baixo. 
Etapa de D a A: a válvula de saída dos gases do interior do cilindro é aberta e a pressão diminui num 
curtíssimo intervalo de tempo. Durante esse tempo, o pistão encontra-se praticamente parado na po-
sição mais baixa do cilindro, logo, o volume é constante e por isso não há a realização de trabalho. 
Etapa de A a O: o pistão move-se para cima, enquanto que a válvula permanece aberta, permitindo, 
assim, a saída dos gases resultantes da combustão. O volume diminui de para , e a partir 
desse momento o ciclo volta a repetir-se. 
As seis etapas do ciclo de Otto, descritas anteriormente, encontram-se representadas na figura 2: 
TERMODINAMICA 
 
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Fig. 2 – Vista lateral do interior de um motor a gasolina. 
Os motores a diesel têm um ciclo semelhante ao motor a gasolina, no entanto, não é necessária uma 
descarga eléctrica para iniciar a combustão do diesel. O diagrama PV de um motor a diesel, encon-
tra-se representado na figura 3. 
 
Fig. 3 - Diagrama PV do ciclo de um motor a diesel. 
Num motor a diesel, apenas ar está presente no cilindro, no início da compressão. Esse ar sofre uma 
compressão adiabática, diminuindo o seu volume de para , e aumentando muito a sua tempe-
ratura. A partir do momento em que o volume é igual a , o combustível começa a ser injectado 
para dentro do cilindro e, devido à elevada temperatura da mistura de ar e diesel, ocorre a combustão 
espontânea da mistura. 
Na etapa de B a C, continua a ser injetado combustível para o interior do cilindro, e a mistura de ar e 
diesel aumenta o seu volume para , mantendo-se a pressão constante durante todo o processo de 
combustão da mistura gasosa. A partir do estado C, a admissão e combustão de combustível pára e 
dá-se a expansão adiabática dos gases resultantes da combustão, ou seja, o gás realiza trabalho ao 
empurrar o pistão para baixo, até o volume ser igual a . 
A partir do estado D, a válvula de saída dos gases do interior do cilindro é aberta, permitindo, assim, 
a saída dos gases resultantes da combustão. A pressão diminui, enquanto o pistão permanece pa-
rado na posição mais baixa do cilindro, logo, o volume é constante entre os estados D e A, não ha-
vendo realização de trabalho. Após a saída dos gases resultantes da combustão, o ciclo repete-se. 
Sobre As Máquinas Térmicas 
(condensação feita a partir especialmente de K. C. Rolle, "Introduction to Thermodynamics", Charles 
E. Merril Pub. Co., Columbus, Ohio, 1973, M. Mott-Smith, "The Concept of Energy Simply Explained", 
Dover, 1964, J. F. Sandfort, "Heat Engines", Doubleday & Co, Inc, Garden City, New York, 1962 - este 
último está disponível na Biblioteca da PUC-Rio. É um magnífico livro no assunto) 
TERMODINAMICA 
 
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A turbina construída por Hero para efeitos de curiosidade era constituída por um globo contendo água 
do qual vapor fervente poderia escapar através de dois bocais, como mostrado na figura. Fogo colo-
cado abaixo de um recipiente fervia a água e vapor escapava pelos tubos verticais entrando no globo. 
De lá vapor era expelido pelos bocais, fazendo com que o globo girasse. 
 
A bomba de vapor construída por Thomas Savery tinha já alguma finalidade: extrair água do poço das 
minas inglesas de carvão mineral. Vapor era produzido no aquecedor (a) e conduzido para os reser-
vatórios (b) da figura, através de válvulas manuais (c). 
O vapor era fornecido alternadamente para os reservatórios, empurrando água do reservatório atra-
vés do tubo (d) e para o topo. A válvula (c) era então fechada e um jato de água fria iria condensar o 
vapor daquele reservatório e com isto, promover um vácuo. A rarefação obtida iria fazer com que 
água do lugar (f) pudesse entrar no tubo (e) e ser direcionada para o reservatório. A válvula (c) era 
então aberta novamente, para a repetição do ciclo. Alternando-se os dois reservatórios (b), era possí-
vel se ter um fluxo contínuo de água para o exterior. 
 
O motor desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705 usava, pela primeira vez, um conjunto cilin-
dro-pistão e era um legítimo substituto para a tração animal. Pelo seu funcionamento cíclico, pode-
mos já falar em máquina térmica. Vapor era produzido no aquecedor (a) e conduzido através da vál-
vula manual (b) até o cilindro (c). O vapor iria empurrar o pistão até a posição mostrada, permitindo 
que a haste (d) descer para dentro do reservatório de água (ou mina). 
A válvula (e) era então aberta para permitir um jato de água sobre o cilindro, capaz de condensar o 
vapor ali dentro, provocando o vácuo necessário. O pistão era então empurrado para baixo pela pres-
são atmosférica, levantando a haste e bombeando água para fora através da linha (f). A válvula (e) 
era fechada, a válvula (b) era aberta e o procedimento era repetido. A linha (g) era aberta intermiten-
temente para permitir que o vapor condensado pudesse ser retirado do cilindro. 
O motor desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705 usava, pela primeira vez, um conjunto cilin-
dro-pistão e era um legítimo substituto para a tração animal. Pelo seu funcionamento cíclico, pode-
mos já falar em máquina térmica. Vapor era produzido no aquecedor (a) e conduzido através da vál-
vula manual (b) até o cilindro (c). 
TERMODINAMICA 
 
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O vapor iria empurrar o pistão até a posição mostrada, permitindo que a haste (d) descer para dentro 
do reservatório de água (ou mina). A válvula (e) era então aberta para permitirum jato de água sobre 
o cilindro, capaz de condensar o vapor ali dentro, provocando o vácuo necessário. 
O pistão era então empurrado para baixo pela pressão atmosférica, levantando a haste e bombeando 
água para fora através da linha (f). A válvula (e) era fechada, a válvula (b) era aberta e o procedi-
mento era repetido. A linha (g) era aberta intermitentemente para permitir que o vapor condensado 
pudesse ser retirado do cilindro. 
 
Em 1763, James Watt, um brilhante engenheiro escocês recebeu um modelo da máquina de Newco-
men para reparar. Ao término do conserto, ele notou a baixíssima eficência da máquina de Newco-
men e suspeitou que grande parte do vapor quente era resfriado, condensado e tinha seu volume 
bastante reduzido ao entrar no cilindro resfriado. 
Após consultas com o maior conhecedor de vapor da época, Joseph Black, que estava na mesma 
Universidade de Glasgow, ele introduziu diversas inovações, entre elas o uso de um condensador ex-
terno (a). Na sua máquina, vapor era conduzido pela tubulação (b). A válvula (c), controlada a partir 
da haste (d), permitia vapor entra na parte superior do pistão (e). 
Isto empurrava o pistão para baixo e, através da barra (f), levantava as hastes (g) e (h) da bomba. Tal 
movimento retirada água do reservatório (i) através da tubulação (j) e também do reservatório (k) para 
o reservatório (i). A válvula (l) era então movida para permitir vapor entrar no base do pistão; assim 
equilibrado, o pistão movia-se para o topo, possibilitando um novo ciclo. 
 
A Ciência da Termodinâmica 
(resumo feito escialmente a partir de K. C. Rolle, "Introduction to Thermodynamics", Charles E. Merril 
Pub. Co., Columbus, Ohio, 1973, M. Mott-Smith, "The Concept of Energy Simply Explained", Dover, 
1964, J. F. Sandfort, "Heat Engines", Doubleday & Co, Inc, Garden City, New York, 1962 - magnífico 
TERMODINAMICA 
 
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livrinho, disponível na Biblioteca da PUC-Rio, I. Asimov, "Understanding Physics: Motion, Sound and 
Heat", Mentor Books, 1966) 
O desenvolvimento da Termodinâmica pode ser traçado de volta nos tempos até os primórdios da 
história da humanidade. O uso da força dos animais, como cavalos e bois, começou no entorno de 
4000 A. C, e representou a principal fonte de energia até o século 19, D. C. Por volta do ano 3500 A. 
C., carros com rodas começaram a ser usados na Mesopotâmia. O uso da energia (no contexto que 
hoje a "entendemos") estava associada à energia provenientes de animais e/ou escravos. Moinhos de 
água, jatos de vapor e inúmeros mecanismos eram usados à época de Cristo. Durante o primeiro sé-
culo D. C., o grego Hero construiu a primeira turbina, sem nenhum objetivo a não ser o de distrair. 
Era uma turbina de reação, entendida hoje (bem, após Newton), pela 3a. Lei de Newton, sobre a 
ação e a reação. Representa, não obstante sua "inutilidade prática", o conceito termodinâmico de 
converter energia inanimada, contida no combustível em algum efeito (o movimento). Veja o tópico 
sobre a máquina de Hero. 
Por outro lado, com o continuado e provavelmente desordenado crescimento das cidades, uma das 
tarefas críticas era a retirada e o transporte de água dos poços, localizados cada vez mais longe, até 
as fontes públicas. O homem começou a cavar cada vez mais fundo também para a retirada de água 
das minas de carvão que ficavam inundadas. 
As necessidades cresciam e a tração animal passou a não ser mais suficiente. Era preciso se desco-
brir novas fontes de energia. Isto é, os primeiros usos do vapor para atender às necessidades sociais 
começaram a aparecer ao final do século XVII. 
Em 1601, Giovanni Baptiste (a. k. a. Giambattista) della Porta, observou que era possível elevar água 
até alguma câmara superior se esta fosse cheia com vapor a ser condensado. Outros tantos observa-
ram o mesmo fenômeno. Sem nenhuma explicação. Curiosamente, em 1629, Giovanni Branca con-
cebeu a idéia de uma turbina de impulsão, que funcionava segundo um princípio diferente da de 
Hero. 
Em 1643, Evangelista Torricelli (1608-1647), um dos últimos alunos de Galileu inventou o barômetro, 
invertendo um tubo contendo mercúrio e selado no topo. Tempos depois, em 1658, Blaise Pascal en-
viou seu sobrinho a uma elevação próxima para medir sua altura. A uma altitude de 1 km, a altura da 
coluna de mercúrio caiu cerca de 10%, de 760 mm para 680 mm. 
Mais tarde, em 1659, Robert Thornton, de uma região mineira na Inglaterra, experimentando com a 
elevação por sucção de líquidos, concluiu que havia uma altura limite que a água poderia ser ele-
vada. Em 1698, Thomas Savery (1650-1715) descobriu uma maneira de se arranjar tanques e opera-
ções manuais para se utilizar vapor e sua energia para bombear água de um poço. Ele usou as ob-
servações de Torricelli sobre o vácuo e as de della Porta sobre a capacidade de elevação da sucção, 
além da técnica de condensação proposta por Thornton. Veja o tópico sobre a máquina de Savery 
Embora sejam marcos históricos do uso de energia de fonte não-animal, fato é que a máquina de 
Hero era só um brinquedo e a eficiência da máquina de Savery era tão pequena que fazia pouco dife-
rença sobre a tração animal. Na verdade, isto não era importante pois combustível era muito barato e 
seu produto fez um imenso sucesso financeiro pois substituía dezenas de cavalos. 
Thomas Newcomen (1663-1729), em 1712, desenvolveu, junto com seu parceiro John Calley (quem 
de fato construiu a nova máquina), um novo conceito: o uso de um conjunto cilindro-pistão para o 
bombeamento de água e constitui o que hoje entendemos ser a primeira máquina térmica, pois seu 
funcionamento era cíclico. 
Foi ajudado neste desenvolvimento por Robert Hooke. A máquina era conhecida como a "máquina 
atmosférica" pois combinava um vácuo e a pressão atmosférica para fornecer o curso de potência. A 
máquina de Newcomen foi um sucesso instantâneo. Apesar disto, ele não aplicou para uma patente e 
se ligou à firma de Savery. Após a morte deste, em em 1715, Newcomen formou uma nova compa-
nhia para continuar detendo todas as patentes. 
Ele deteve o controle completo do mercado até 1733, quando as patentes expiraram. O declínio 
aconteceu quando John Smeaton (1724-1792) conseguiu melhorar o processo de fabricação daque-
TERMODINAMICA 
 
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las máquinas, sem implementar nenhuma melhoria. Smeaton foi o primeiro engenheiro a se auto-de-
nominar engenheiro civil, por se opor aos engenheiros militares. Veja o tópico sobre a máquina tér-
mica de Newcomen. 
Com maiores recursos para a fabricação das peças necessárias e com o auxílio de Joseph Black, 
eminente professor de engenharia da Universidade de Glascow e uma das maiores autoridades sobre 
vapor dágua da época, James Wattintroduziu um motor com o mesmo conjunto cilindro-pistão mas 
com significantivas melhorias. 
Primeiramente operada em 1775 para se bombear água, sua máquina representou a primeira de uma 
grande sequência de máquinas, cada uma com novas melhorias, maiores potências e logo elas foram 
utilizadas para ferrovias, navios, etc. Veja o tópico sobre a máquina térmica de Watt 
A formalização da Termodinâmica como ciência começou provavelmente por volta de 1592, 
quando Galileu usou algo parecido como o nosso termômetro para fazer uma primeira medição de 
temperatura. A falta de precisão, de reprodutibilidade, a grande dependência nas habilidades do usu-
ário, etc, foram superadas pela descrição sobre a "quentura" ou de "friura" (?) dos objetos. 
A teoria da Termodinâmica começou a tomar alguma forma em 1693, quando o brilhante matemá-
tico G. W. Liebnitzpronunciou o princípio da conservação da energia mecânica (cinética e potencial). 
Sadi Carnot publicou em 1824 um tratado descrevendo máquinas térmicas, mecanismos cíclicos, etc, 
relacionando-os com a Primeira e a Segunda Leis (ou princípios) da Termodinâmica. Em 1850, 26 
anos mais tarde, Rudolph Clausius enunciou formalmente estas duas leis e em 1854, ele identificoue 
definiu a propriedade que hoje é chamada de entropia. 
De 1840 a 1848, James Joule provou experimentalmente a equivalência entre calor e trabalho, fa-
zendo com que a Termodinâmica passasse a ser uma ciência quantitativa na melhor tradição de Gali-
leo. O motor de combustão interna usado para automóveis, caminhões, etc, foi desenvolvido por Le-
noir em 1860. Em 1884, Parson apresentou uma turbina a vapor capaz de desenvolver grandes po-
tências. 
No início do século XX, Nernst e Planck separadamente propuseram as definições iniciais da Terceira 
Lei da Termodinâmica. 
Comentários:1 - Além disto, ninguém havia ainda definido "eficiência"!!!2 - No dicionário, máquina tér-
mica é uma máquina que converte calor em energia mecânica. Naturalmente, calor é a energia tro-
cada entre o combustível e a substância de trabalho. 
Desta forma, podemos dizer que todos os animais são máquinas térmicas, no sentido que há sempre 
a ingestão de combustível (pelo alimento) que é transformado em força muscular, capaz de realizar 
trabalho. Para Descartes, um animal era simplesmente uma máquina complicada. Por que são impor-
tantes estes comentários? Para generalizar conceitos, permitindo que aprendamos mais sobre uns 
organismos (podemos ler "sistemas" aqui também) a partir do que já aprendemos sobre outros. 
Máquinas Térmicas 
A palavra máquina origina-se do grego mechane que significa qualquer dispositivo engenhoso ou in-
venção. Uma máquina é definida como um aparelho composto por várias partes com funções defini-
das. 
Heron de Alexandria, que viveu por volta de 130 a. C., era um grande inventor. Catalogou os primei-
ros instrumentos chamados de máquinas simples: a alavanca, a roda e eixo, a roldana, a cunha e a 
rosca. 
A máquina térmica é um dispositivo que transforma a energia interna de um combustível em energia 
mecânica. Também pode ser definida como o dispositivo capaz de converter calor em trabalho. 
Tanto as máquinas térmicas a vapor, que operam com o vapor d'água produzido em uma caldeira, 
quanto as máquinas térmicas de combustão interna que operam devido aos gases gerados pela 
TERMODINAMICA 
 
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queima de combustíveis, têm seu funcionamento baseado no aumento da energia interna das subs-
tâncias envolvidas e no trabalho realizado, e tanto a energia interna, quanto o trabalho, dependem da 
quantidade de energia na forma de calor que foi transferida à substância. 
As máquinas térmicas fazem conversão de energia? As máquinas devem realizar trabalho mecânico 
como elevar, movimentar ou misturar e seu funcionamento depende de um combustível, ou fonte de 
energia, logo elas transformam algum tipo de energia em energia mecânica. 
Em geral, elas convertem a energia do combustível em energia térmica de um gás através do pro-
cesso de combustão e o gás se expande, realizando trabalho enquanto sua temperatura diminui. Há 
conservação de energia nas máquinas térmicas? A conservação de energia é um Princípio que se 
aplica a qualquer sistema, assim como a conservação de massa. 
As máquinas térmicas obedecem a Primeira Lei da Termodinâmica, pois parte da energia na forma 
de calor (Q) que recebem, é transformada em trabalho (T). Esta é a parte de energia útil. A outra 
parte é transformada em variação de energia interna, U, esta parte representa a quantidade de ener-
gia degradada ou não aproveitada, de modo que: Q = T + U. 
Portanto, a soma do trabalho realizado pela máquina com o aumento da energia interna deve ser 
igual à quantidade de energia que lhe foi fornecida. E se realizarmos trabalho ao invés de adicionar-
mos calor ao sistema? Segundo a Primeira Lei da Termodinâmica, deverá haver um aumento da 
energia interna. 
Esse é um caso simples que ocorre em nossa vida diária quando, por exemplo, esfregamos as mãos. 
O trabalho mecânico que realizamos faz com que a energia interna aumente e as mãos se aque-
çcam. 
O mesmo ocorre quando enchemos o pneu de uma bicicleta com uma bomba manual. É possível 
construir uma máquina que realize trabalho continuamente sem consumo de energia? Uma máquina 
deste tipo chama-se moto-perpétuo ou moto contínuo e produziria trabalho a partir do nada. Isto é im-
possível, pois viola o Princípio da Conservação da Energia ou a Primeira Lei da Termodinâmica. 
Máquinas em movimento perpétuo foram procuradas por muitos inventores e cientistas, inclusive Leo-
nardo da Vinci. Porém, um moto contínuo não existe, pois sempre haverá perda de energia ou por 
atrito das peças ou por resistência do ar. 
Uma polia simples, por exemplo, seria um moto contínuo se, em condições ideais (sem atrito no eixo 
e sem resistência do ar), girasse indefinidamente, não realizando trabalho e nem trocando calor com 
o meio, logo pela Primeira Lei, 0=0+U, assim U = 0, o que não viola a conservação de energia. 
Só que nas máquinas reais, uma parte da energia é degradada a cada ciclo e, então, um moto-perpé-
tuo, para funcionar teria que criar energia, o que viola o Princípio da Conservação de Energia ("A 
energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada de uma forma em outra"). 
Mesmo que toda a energia fornecida ao sistema fosse conservada, apenas uma parte seria reapro-
veitada para a realização de trabalho, pois pela Segunda Lei da Termodinâmica nenhuma máquina 
térmica converte todo calor em trabalho. 
Uma máquina funciona continuamente porque opera em CICLOS, ou seja, retorna ao seu estado ini-
cial passando por etapas intermediárias em um certo intervalo de tempo. Como é uma máquina tér-
mica? 
 
TERMODINAMICA 
 
22 WWW. DOMINACONCURSOS. COM. BR 
Basicamente, uma máquina térmica é constituída por dois reservatórios, como mostra a figura. O ca-
lor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais 
baixa (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da termodinâmica e transformado parte do calor que sai 
da fonte quente em trabalho. 
Se só uma parte do calor foi convertida em trabalho, para onde foi o resto? A parte de calor que não 
foi utilizada para a realização de trabalho é cedida para a fonte fria ou é dissipada, portanto, uma má-
quina térmica nunca rende o máximo. 
A Segunda Lei da Termodinâmica que diz que é impossível transformar todo calor em trabalho, re-
flete o fato de que nenhuma máquina térmica tem 100% de eficiência, portanto, o rendimento de tais 
máquinas é sempre inferior a 100%. Como sabemos o quanto pode render uma máquina tér-
mica? Podemos calcular o rendimento de uma máquina térmica se sabemos o quanto de trabalho ela 
produz (T) e o quanto de calor foi fornecido pela fonte quente (Q). 
Matematicamente, podemos expressar o rendimento (R) por: R=T/Q, que resulta sempre em um valor 
menor do que 1 ou 100%. 
Se uma máquina recebe um calor Q1 da fonte quente, cede um calor Q2 para a fonte fria e realiza um 
trabalho (T), segundo o Princípio da conservação de energia: Q1 = T + Q2, logo o trabalho será: T = 
Q1 - Q2 e, portanto, o rendimento desta máquina será calculado por: ou seja, , o que deixa claro que 
sua eficiência é menor do que 1. 
Obs. : a utilização do módulo de Q2 é necessária em função da Primeira Lei. 
Lembre-se: se o sistema recebe calor, a quantidade de calor é positiva (Q>0) e se o sistema cede ca-
lor, a quantidade de calor é negativa (Q<0); 
Nicolas Leonard Sadi Carnot, engenheiro francês, imaginou um ciclo ideal (Ciclo de Carnot), onde a 
eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico é máxima, mas com seus estudos, 
logo percebeu que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina 
a vapor, o que foi a base para a Segunda Lei da termodinâmica. 
Motor de Combustão Interna 
A locomotiva foi uma das mais importantes máquinas térmicas, pois além de ser utilizada para o 
transporte de cargas, possibilitou viagens de longo percurso. Uma das primeiras "Marias-Fumaça", 
como ficaram conhecidas, foi construida na Inglaterra por Trevithick. Elas poderiam chegar a uma ve-
locidadede 8km/h. 
Com o passar do tempo as locomotivas foram sendo aperfeiçoadas e em 1924 os seus motores a va-
por, de combustão externa, foram subtituidos por motor diesel de combustão interna e o número de 
vagões aumentou, passaram então, a serem chamadas de "trem". 
Os automóveis foram criados pelo alemão Karl Benz e hoje seus motores, assim como os de cami-
nhões ou ônibus são máquinas térmicas que produzem o movimento através da queima do combustí-
vel no seu interior, por isso são chamadas de motor de combustão interna. 
Os motores a álcool ou gasolina são constituídos por um pistão, ligado a uma biela que está ligada ao 
virabrequim e uma câmara de combustão que possui duas válvulas, um cilindro e uma vela de igni-
ção. Veja a figura ao lado. 
Os motores a diesel não possuem vela de ignição e sim uma bomba injetora de óleo. Atualmente, os 
automóveis podem ter motores com quatro a oito cilindros e os carros de corrida podem ter até doze 
cilindros. A foto mostra um conjunto de pistão e cilindro. 
Esses motores trabalham numa sequência de quatro movimentos do pistão no cilindro, o que com-
pleta um ciclo. Esse ciclo de funcionamento foi aplicado por Nikolaus Otto e por isso também são 
chamados de "motor de 4 tempos" ou "motor Otto". 
Vejamos cada etapa do seu funcionamento, ou seja, cada tempo, que recebe o nome correspondente 
ao principal processo que ocorre. 
TERMODINAMICA 
 
23 WWW. DOMINACONCURSOS. COM. BR 
1o tempo: admissão 
O pistão desce enquanto aspira uma mistura gasosa de ar e combustível que pode ser gasolina, gás 
ou álcool, que entra no cilindro através da válvula de admissão (os motores a diesel admitem apenas 
ar). Durante esse tempo a válvula de escape permanece fechada para que a mistura não saia. A 
pressão máxima atingida é menor que 1 atmosfera, mantendo-se constante (processo isobárico) e a 
temperatura fica entre 340 e 400K. 
2o tempo: compressão 
A válvula de admissão se fecha enquanto o pistão se move para cima, devido a inércia do virabre-
quim, comprimindo a mistura gasosa. Nesse tempo, além do aumento de pressão que fica entre 8 e 
15 atm, há um aumento de temperatura que fica entre 600 e 750K, porém é um processo adiabático, 
pois não há transferência de calor nem para fora nem para dentro da mistura. 
3o tempo: explosão e expansão 
Quando ocorre a máxima compressão uma centelha elétrica na vela de ignição provoca uma explo-
são que causa um aumento de temperatura, de 2300 a 2700K, nos gases resultantes e um aumento 
de pressão que fica entre 30 e 50 atm, no interior do cilindro, resultando na expansão da mistura ga-
sosa. Também é um processo adiabático. 
4o tempo: exaustão 
No final da expansão a temperatura fica na faixa de 900 a 1100 K e a pressão fica na faixa de 4 a 6 
atm. Abre-se então a válvula de escape e praticamente sem variar o volume, o gás que se encontra 
no interior do cilindro escapa para a atmosfera, reduzindo-se a pressão a 1 atm. A seguir, ainda com 
a válvula aberta, o pistão sobe, retomando o volume mínimo, expulsando quase todo o gás restante 
para a atmosfera. 
Assim se completou o ciclo, pois o volume e a pressão no interior do cilindro voltaram aos seus valo-
res no início do 1o tempo. Então, a válvula de admissão novamente se abre, reiniciando-se um novo 
ciclo. 
Há conservação de energia nesses motores? sim! No quarto tempo a mistura gasosa é eliminada 
pelo escapamento com temperatura maior do que antes da explosão, logo parte do calor de combus-
tão é transformada em energia interna dos gases, além da troca de calor que ocorre entre a carcaça 
do motor e o ambiente. Portanto, a parte restante do calor de combustão é devida a energia de movi-
mento do pistão, ou seja, realização de trabalho. 
Então, os motores de combustão interna também obedecem a Primeira Lei da termodinâmica. Onde 
ocorre a realização de trabalho nos motores Otto? No motor de combustão interna o trabalho (T) é 
realizado apenas no 3o tempo, quando os gases empurram o pistão para baixo. Nos demais tempos o 
pistão se movimenta devido a inércia do sistema ligado ao virabrequim. E obedecem a Segunda Lei 
da termodinâmica? 
Com certeza. Uma parte da energia do combustível é utilizada na realização de trabalho e a outra 
parte é transferida ao meio ambiente, em cada ciclo, sendo necessário, a cada reinício, uma nova 
dose de combustível, ou seja, energia. E qual é o rendimento de um motor? O cálculo de rendimento 
para esses motores inclui as capacidades térmicas, pressão, volume, taxa de compressão, entre ou-
tros parâmetros. 
Para motores Otto, o rendimento real situa-se entre 22 a 30%, enquanto para os motores Diesel si-
tua-se na faixa dos 30 a 38%. 
Sendo que as perdas térmicas ocorrem devida à energia interna dos gases que escapam a altas tem-
peraturas, durante a explosão e a troca de calor entre o motor e o meio ambiente pelo sistema de re-
frigeração, além das perdas mecânicas devido ao atrito das peças. No motor onde se localizam a 
fonte quente e a fonte fria? A fonte quente é constituída pelos gases resultantes da explosão e a fonte 
fria é o próprio meio ambiente. Os motores das motocicletas são iguais aos motores de automó-
veis? São muito semelhantes. Porém nas motos o motor é de 2 tempos, pois ocorre apenas dois mo-
vimentos do pistão. Mas também ocorrem a admissão, a compressão, a expansão e a exaustão. 
TERMODINAMICA 
 
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Esses motores, em geral, não possuem válvulas e sim duas janelas laterais (de admissão e de es-
cape) que são abertas e fechadas pelo próprio pistão. A cada movimento do pistão, há uma explosão 
e os gases resultantes são expelidos pela janela de escape. 
Refrigerador 
Os sistemas de refrigeração provocam o resfriamento de interiores, como ar condicionados, refrigera-
dores e freezers. Os objetivos principais da refrigeração são armazenamento de alimentos a baixas 
temperaturas para evitar ação de bactérias e o surgimento bolor ou fermentação e manter uma tem-
peratura estável em ambientes ou em equipamentos eletrônicos. 
 
O resfriamento ocorre através do processo de trocas de calor. O refrigerador é uma máquina térmica 
em que a troca do calor se dá do sistema mais frio (interior da geladeira) para o sistema mais quente 
(meio externo). 
Mas isso não viola a Segunda Lei da termodinâmica que diz que a transferência de calor é sempre do 
sistema mais quente para o mais frio? 
Violaria se esse processo fosse espontâneo como preconiza a Segunda Lei, mas para que as gela-
deiras funcionem dessa forma, é necessário um fornecimento externo de energia que ocorre através 
de um compressor que realiza trabalho mecânico sobre uma substância refrigerante, tornando possí-
vel o sentido inverso da troca de calor. O primeiro refrigerador utilizável foi contruído pelo engenheiro 
americano Jacob Perkins, em 1834, e utilizava como substância refrigerante o dióxido sulfúrico que 
ferve e se condensa a temperaturas abaixo de zero. 
Hoje a escolha da substância depende da finalidade do refrigerador e do impacto ambiental. Nas ge-
ladeiras domésticas, a substância utilizada é o freon que, a baixa pressão se vaporiza e a alta pres-
são se condensa. Para essas mudanças de pressão utiliza-se um compressor e uma válvula descom-
pressora, porém, o freon é uma substância que agride a camada de ozônio e está sendo substituído 
por outras substâncias, como o CFC (clorofluorcarbono) ou HCFC (hidroclorofluorcarbono). 
 
TERMODINAMICA 
 
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Basicamente, uma geladeira é constituída por um compressor, um condensador, uma válvula e um 
congelador dispostos como na figura. Como funciona um refrigerador? 
 
É uma máquina térmica que opera em ciclos semelhantes aos motores de combustão interna. O ciclo 
começa no compressor (a figura mostra um modelo de compressor), que é acionado por um motor 
elétrico. A função do compressor é de aumentar a pressão o suficiente para que liquefaça em tempe-
raturas próximas da temperatura ambiente. Quando oêmbolo do cilindro desce, a válvula de admis-
são se abre permitindo a passagem do gás refrigerante no cilindro. 
No compressor, o ressalto em rotação faz virar o anel descentralizado contra a parede do cilindro e a 
barreira faz pressão contra o anel o que garante a pressão do gás que é aquecido à temperatura su-
perior a do ambiente. 
Quando o êmbolo torna a subir, a válvula de admissão se fecha e a de escape se abre, forçando o 
gás, a alta pressão, a passar para o condensador (serpentina), onde é comprimido e se liquefaz, tro-
cando calor com o meio externo e, assim, o gás diminui de temperatura. É devido a essa troca de ca-
lor com o meio que não se recomenda embutir a geladeira em armários com pouca ventilação e nem 
colocar roupas para secar atrás do refrigerador. 
Após liquefeito, o gás passa para a válvula de expansão onde sofre descompressão e se expande, 
chegando ao congelador e daí volta ao compressor e o ciclo recomeça. 
 
Onde se localizam as fontes quente e fria no refrigerador? 
A fonte fria é a parte interna, junto à serpentina do congelador, e a fonte quente é o ambiente externo. 
É o fluido refrigerante que retira o calor da fonte fria ao evaporar e o transfere para a fonte quente. O 
que realiza trabalho no refrigerador? 
O compressor. Como não há trocas de calor, o trabalho realizado pelo compressor equivale a varia-
ção de energia interna da substância refrigerante. Esse trabalho provoca a troca de calor do interior 
TERMODINAMICA 
 
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da geladeira (fonte fria) para o meio ambiente (fonte quente), ou seja, no sentido inverso ao espontâ-
neo. O funcionamento de um freezer é semelhante ao de uma geladeira comum? 
O freezer funciona como o refrigerador, porém possui um evaporador que mantém a temperatura, no 
seu interior, próxima dos -20oC, possuindo um compressor mais potente e comprime uma maior 
quantidade de substância refrigerante o que permite que o condensador troque maior quantidade de 
calor com o meio ambiente. por que o congelador fica na parte superior da geladeira? 
Pelo fato de que no interior do refrigerador o ar quente sobe, se resfria na região do congelador e 
torna a descer. Realizando o processo de troca de calor por convecção. 
Ar Condicionado 
Da mesma forma que os refrigeradores, os condicionadores de ar são máquinas térmicas que trans-
ferem calor de uma região fria para uma mais quente. 
Os aparelhos de ar condicionados são contituídos por um compressor, um condensador e um evapo-
rador, porém não utilizam a mesma substância refrigerante que o aparelho de refrigerador doméstico. 
Alguns utilizam o freon 22, o que apresenta uma temperatura de ebulição igual a -40, 8oC à pressão 
atmosférica o que permite sua condensação sob menores pressões que as substâncias utilizadas nos 
refrigeradores, quando seu objetivo é refrigerar o ambiente. 
No ar condicionado, o ar do ambiente passa por um filtro que retém o pó e a umidade nele contidos e, 
após filtrado, entra em contato com a serpentina onde é resfriado, retornando ao ambiente através de 
um ventilador. 
O condensador deve ficar do lado de fora do ambiente que queremos refrigerar, pois ele aquece e o 
excesso de calor não deve aquecer o ar do ambiente que queremos resfriar. 
O ar condicionado também tem a função de aquecer o ambiente e, neste caso, um aquecedor elétrico 
é utilizado, fazendo com que circule água quente ou vapor por um tubo semelhante a serpentina. 
Da mesma forma que o refrigerador, a troca de calor se dá por convecção. 
Principais Tipos de Trocadores de Calor 
entre os principais tipos de trocadores de calor em termos de geometria destacam-se: 
• Duplo tubo 
• Casco e tubo 
• Placas 
• Outros: Trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e tubo. . . 
Trocador duplo tubo 
O trocador duplo tubo (Figura 1) é composto por dois tubos concêntricos, geralmente com trechos re-
tos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo para dirigir os fluidos de uma seção 
reta para outra. Este conjunto em forma de U é denominado grampo, o que permite conectar vários 
tubos em série. Neste tipo de trocador, um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular, 
a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno 
 
As principais vantagens são: facilidade de construção e de montagem, ampliação de área, facilidade 
de manutenção e de acesso para limpeza 
Trocador de calor casco e tubo 
http://wwwo.metalica.com.br/images/stories/Id3728/trocadores-de-calor-01.jpg
TERMODINAMICA 
 
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O trocador de calor casco e tubo (Figura 2) é composto por um casco cilíndrico, contendo um con-
junto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os tubos são presos, em suas 
extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada furo corresponde a um tubo do 
feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os tubos que compõe o feixe atravessam 
varias placas ferfuradas, as chicanas, que servem para direcionar o fluido que escoa por fora dos tu-
bos e também para suportar os tubos. No trocador um dos fluidos escoará pelo interior dos tubos e 
outro por fora dos tubos. 
A área de troca pode ser disposta de várias maneiras, por exemplo, pode-se ter um equipamento com 
tubos longos e com determinado diâmetro de casco ou com a mesma área construir outro trocador 
com tubos curtos. Relações de custo que é mais conveniente e mais econômico construir trocadores 
longos com diâmetros de casco e de tubos menores. 
 
A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível alocar em um determi-
nado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo dos tubos que compõe o 
feixe e do numero de passagens no lado do tubo. 
O espaçamento entre as chicanas é padronizado. A redução no seu espaçamento tende a elevar o 
coeficiente de troca de calor do lado do casco, entretanto, tende a aumentar também a perda de 
carga o que pode sobrecarregar o sistema de movimentação do fluido. Diferentes tipos de chicanas 
fazem com que o escoamento seja aproximadamente perpendicular aos tubos ou paralelo a eles. 
Trocador de calor de placas: O trocador de placas (Figura 3) consiste de um suporte, onde placas 
independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade 
móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam. 
 
Os trocadores de placa foram introduzidos em 1930 na indústria de alimentos em razão da facilidade 
de limpeza. As placas são feitas por prensagem e apresentam na superfície corrugações, as quais 
fornecem mais resistência à placa e causam maior turbulência aos fluidos em escoamento. 
http://wwwo.metalica.com.br/images/stories/Id3728/trocadores-de-calor-02.jpg
http://wwwo.metalica.com.br/images/stories/Id3728/trocadores-de-calor-03.jpg
TERMODINAMICA 
 
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Sempre surgem comparações entre os trocadores casco e tubo. O trocador de placas será viável so-
mente se: 
- A pressão de operação for menor que 30 bar 
- As temperaturas forem inferiores a 180oC (juntas normais)ou 260oC (juntas de amianto) 
- Houver vácuo não muito elevado 
- Houver volumes moderados de gases e vapores 
As vantagens destes equipamentos são: 
- Facilidade de acesso a superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza; 
- Flexibilidade de alteração da área de troca térmica; 
- Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço; 
- Pode operar com mais de dois fluidos; 
- Apresenta elevados coeficientes de transferência de calor; 
- Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos paradas para limpeza 
- Baixo custo inicial; 
- Não é necessário isolamento; 
- Mesmo que a vedação falhe não ocorre a mistura das correntes; 
- Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de fluido retido no trocador. 
Trocadores de calor compactos: São equipamentos que apresentam alta razão entreárea de trans-
ferência de calor e volume do trocador. São exemplos deste tipo de trocador os trocadores de placa e 
espiral, trocadores com tubos alertados, resfriadores a ar e variações do trocador casco e tubo. 
Motor de Combustão Interna 
O funcionamento do motor de combustão interna ocorre em quatro tempos: admissão, compressão, 
explosão ou combustão e escape. 
O combustível mais utilizado atualmente no mundo inteiro é a gasolina. O motor que normalmente 
equipa os automóveis movidos a gasolina é o motor de combustão interna, também chamado de mo-
tor de explosão interna ou motor a explosão de quatro tempos. 
Os termos “combustão” e “explosão” são usados no nome desse motor porque o seu princípio de fun-
cionamento baseia-se no aproveitamento da energia liberada na reação de combustão de uma mis-
tura de ar e combustível que ocorre dentro do cilindro do veículo. Esse motor também é chamado de 
“motor de quatro tempos” porque seu funcionamento ocorre em quatro estágios ou tempos diferentes. 
Conhecer como esses estágios do funcionamento do motor de combustão interna ocorrem ajuda-nos 
a compreender por que é importante usar gasolinas de qualidade com alto índice de octanagem. An-
tes, porém, veja quais são os nomes das principais partes do motor: 
 
Agora veja como funciona o motor de um carro e o que ocorre em cada tempo: 
TERMODINAMICA 
 
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1º tempo: Admissão — No início, o pistão está em cima, isto é, no chamado ponto morto superior. 
Nesse primeiro estágio, a válvula de admissão abre e o pistão desce, sendo puxado pelo eixo virabre-
quim. Uma mistura de ar e vapor de gasolina entra pela válvula para ser “aspirada” para dentro da câ-
mara de combustão, que está a baixa pressão. O pistão chega ao ponto morto inferior, e a válvula de 
admissão fecha, completando o primeiro tempo do motor. 
2º tempo: Compressão — O pistão sobe e comprime a mistura de ar e vapor de gasolina. O tempo de 
compressão fecha quando o pistão sobe totalmente. 
3º tempo: Explosão ou combustão •— Para dar início à combustão da mistura combustível que está 
comprimida, solta-se uma descarga elétrica entre dois pontos da vela de ignição. Essa faísca da vela 
detona a mistura e empurra o pistão para baixo, fazendo com que ele atinja o ponto morto inferior. 
4º tempo: Escape — A mistura de ar e combustível foi queimada, mas ficaram alguns resíduos dessa 
combustão que precisam ser retirados de dentro do motor. Isso é feito quando o pistão sobe, a vál-
vula de escape abre, e os gases residuais são expulsos. Esquematicamente, temos: 
 
Esse processo inicia-se novamente, e os quatro tempos ocorrem de modo sucessivo. Os pistões (car-
ros de passeio costumam ter de quatro a seis pistões), que ficam subindo e descendo, movem um 
eixo de manivela, chamado virabrequim, que está ligado às rodas por motores, fazendo-as girar e, 
consequentemente, o carro andar. 
Uma analogia que pode ajudar no entendimento desse processo é pensar em como fazemos uma bi-
cicleta movimentar-se. Fazemos com as pernas movimentos de sobe e desce, assim como os pistões 
do carro. As manivelas presas aos pedais da bicicleta estão conectadas à corrente, que se movi-
menta e faz as rodas girarem. 
Algo parecido ocorre no carro: o movimento de cima para baixo dos pistões gira o virabrequim, que 
leva a energia mecânica até o sistema de transmissão, que, por sua vez, distribui essa energia para 
as rodas. 
Isso nos mostra que energia química (da reação química de combustão) é transformada em energia 
mecânica, que, por sua vez, faz as rodas do carro movimentarem-se. A energia que faz o combustível 
explodir vem da bateria do automóvel. Essa corrente elétrica é amplificada pela bobina, e um distri-
buidor faz a sua divisão entre as velas em cada cilindro. 
Além disso, a combustão é uma reação exotérmica, liberando grande quantidade de calor. Assim, é 
preciso que o radiador use água para resfriar o motor e garantir que ele continue funcionando. 
Veja que, no 2º tempo, se a gasolina for de baixa qualidade, os seus componentes não aguentarão 
tamanha pressão e poderão estourar antes da hora, antes da faísca soltar da vela, que é o que acon-
tece no próximo estágio. Isso resulta em um menor desempenho do motor, que começa a bater pino, 
pois a explosão ocorre de forma tumultuada. 
TERMODINAMICA 
 
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Ciclo de Otto 
 
Recebe o nome de ciclo de Otto, o ciclo termodinâmico que representa o funcionamento de motores 
de combustão interna, popularmente conhecidos como motores a explosão. 
O ciclo foi definido e patenteado pelo engenheiro francês Beaus de Rochas, porém, o engenheiro ale-
mão Nikolaus August Otto o implementou, sendo o primeiro a construir um motor com base nesse ci-
clo. 
O modelo ideal do ciclo de Otto é constituído por quatro processos reversíveis internamente: 
Admissão isobárica 
Compressão adiabática 
Expansão adiabática 
Exaustão isobárica 
Motores de automóveis movidos a gasolina, álcool ou gás natural operam com base no ciclo de Otto. 
Esse tipo de motor também é chamado de motor de quatro tempos uma vez que ocorre num ciclo de 
4 etapas: admissão, compressão, expansão e exaustão. 
1º - Admissão: nessa primeira fase, a válvula de admissão (entrada) está aberta e a válvula de es-
cape (saída) permanece fechada. O pistão se move de forma a aumentar o volume da câmara de 
combustão, e a mistura de combustível com o ar entra no cilindro sob pressão praticamente cons-
tante. Assim, diz-se que na fase de admissão ocorreu uma transformação isobárica, ou seja, transfor-
mação sob pressão constante. 
2º - Compressão: agora as válvulas de admissão e de escape estão fechadas e o pistão realiza um 
movimento rápido, comprimindo a mistura combustível. Com isso, ocorre um aumento de pressão e 
uma diminuição do volume da mistura, simultaneamente. No fim dessa etapa a pressão do sistema é 
cerca de 9 vezes a pressão atmosférica. 
3º - Expansão: nessa terceira etapa, as válvulas de admissão e escape continuam fechadas, o pistão 
sobe e a vela (um dispositivo do motor) solta uma faísca, que provoca uma explosão da mistura com-
bustível. Por meio dessa queima, uma grande quantidade de energia térmica é obtida e parte dessa 
energia será convertida em trabalho mecânico. Com o fornecimento de calor, a pressão do sistema 
aumenta e o pistão é forçado violentamente para baixo, de modo a aumentar o volume do cilindro. 
4º - Exaustão: por fim, no momento em que o pistão chega à posição de maior volume do cilindro, a 
válvula de escape se abre e a de admissão continua fechada. Isso faz com que o gás quente seja ex-
pulso da câmara de combustão, resfriando o sistema. Depois de ocorrer o resfriamento, o pistão se 
movimenta no sentido de diminuir o volume da câmara de combustão, conduzindo os resíduos da ex-
plosão para fora, que serão liberados pelo escapamento. 
Assim que os gases são expulsos, o motor retorna à sua condição inicial, de forma que o ciclo se rei-
nicie. 
TERMODINAMICA 
 
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Motor 2 tempos 
Expansão e Exaustão – O pistão realiza um movimento descendente após a centelha, durante este 
movimento o pistão já inicia a eliminação dos gases de combustão presente na câmara de compres-
são 
Admissão e Compressão – O pistão realiza um movimento ascendente, comprimindo a mistura 
ar/combustível e ao mesmo tempo admite a nova mistura a ser comprimida 
 
 
Motor 4 tempos 
Admissão – O pistão realiza um movimento descendente, com a válvula de admissão aberta, admi-
tindo a mistura ar/combustível 
Compressão – O pistão realiza um movimento ascendente, com ambas a válvulas fechadas, compri-
mindo a mistura 
Expansão – O pistão realiza novamente um movimento descendente após a centelha, na qual a pres-
são e temperatura da câmara aumentam muito. É aqui que ocorre a entrega de energia do motor. 
Exaustão – O pistão realiza um movimento ascendente com a válvula de escape aberta, eliminado os 
gases da combustão