Maquinas térmicas, como são, como funciona, quem inventou

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MAQUINAS TERMICAS 
Introdução:
As máquinas térmicas na qual se designa por ser um sistema que converte calor ou energia térmica em trabalho. 
Entretanto, 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 trabalhoperde calor para o meio. O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor, onde e 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 reações exotérmicas ( como combustão), absorção de luz de partículasenergéticas, fricção, dissipação e 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.
O DISPOSITIVO
O inventor grego Heron teve no século Id.C. 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 dispositivo que transforma calor em trabalho mecânico. Contudo, o dispositivo criado por Heron não foi utilizado para produzir grandesquantidades de energia mecânica. Somente no século XVIII foram construídas as primeiras máquinas capazes de realizar trabalhos em grandes escalas, ou seja, trabalhos industriais. 
As primeiras máquinas do século XVIII tinham rendimentos muito baixos, ou seja, consumiam grandes quantidades de combustível e realizavam pequenos trabalhos. Foi por volta de 1770 que o inventor escocês James Wattapresentou um modelo de máquina que substituiu as máquinas que até então 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 rejeitava para uma fonte fria.
A máquina proposta por Watt foiempregada nos moinhos e no acionamento de bombas d’água inicialmente, 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.
O primeiro dispositivo que utilizava esse mesmo princípio de funcionamento foi a máquina de Herón, no século I d.C. Em 1698, Thomas Savery criou a primeira com utilidade prática, que era usada para retirar água das minas. Posteriormente, por volta de 1712, essa máquina de Savery foi aperfeiçoada por Thomas Newcomen e passou a ser utilizada também para elevar cargas.
No entanto, as máquinas térmicas obtiveram destaque de fato apenas no século 18, quando James Watt (1736 – 1819), em 1763, criou uma máquina que possuía maior eficiência do que as que eram até então conhecidas. Assim, elas passaram a ser utilizadas na indústria e em larga escala, o que foi de enorme contribuição para a Revolução Industrial.
Foi em 1904 que as máquinas a vapor passaram a ser utilizadas para locomoção. A locomotiva a vapor, construída por Richard Trevithick, era capaz de transportar 450 pessoas a uma velocidade de 24 km/h, velocidade bem menor que a que estamos acostumados atualmente. Depois da locomotiva, vieram os carros, o primeiro foi produzido em 1885, pelo Engenheiro Alemão Karl Benz, e possuía motor a gasolina.
As máquinas térmicas foram fundamentais para o desenvolvimento tecnológico da humanidade, a começar pela Revolução Industrial, os meios de transporte e a produção de energia. Atualmente é impossível imaginar nossas vidas sem esses dispositivos, que, a cada dia, estão sendo mais aprimorados, contribuindo, assim, para a nossa qualidade de vida.
 O que são: 
As máquinas térmicas são dispositivos capazes de converter energia térmica em energia mecânica, elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes detemperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor 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 trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%. utilizadas principalmente como meios de transporte e nas indústrias. Podemos citar como exemplo os veículos automotores, a máquina a vapor e a turbina a vapor. É impossível imaginar nossa vida sem esses dispositivos, que a cada dia estão mais aprimorados.
Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor e uma fonte fria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado. 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
A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.
 Principio de funcionamento
Maquinas térmicas na termodinâmica realizam a conversão de calor ou energia térmica emtrabalho mecânico. Isso ocorre quando uma fonte de calor leva uma substancia de trabalho com baixa temperatura a uma temperatura mais alta. 
A substancia normalmente gás ou vapor em expansão transfere essa energia se expandindo dentro da maquina térmica acionando o sistema mecânico e assim realiza o trabalho. Os ciclos termodinâmicos envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases....
 Qual a definição de uma máquina térmica?
São máquinas que transformam energia térmica em mecânica útil. A energia térmica provem duma mistura combustível-ar liberando-se a energia química do combustivel 
Quanto ao trabalho as máquinas Térmicas Motrizes: são as que transformam energia térmica em trabalho mecânico. Se destinam a acionar outras máquinas.
Máquinas Térmicas Geratrizes ou Operatrizes: são aquelas que recebem trabalho mecânico e o transforma em energia térmica. São acionadas por outras máquinas. 
Máquinas Térmicas a Pistão: nas quais a transferência de energia ocorre em um sistema fechado. O elemento móvel é um pistão ou êmbolo, o qual pode ter movimento de translação alternada ou movimento de rotação. 
Máquinas Térmicas de Fluxo: nas quais a transferência de energia ocorre em um sistema aberto. O elemento móvel é um disco ou tambor, MaquinasTérmicas e Hidráulicas que possui na extremidade um sistema de pás, montadas de modo a formar canais por onde escoao fluido de trabalho. O movimento deste elemento é rotativo.
Gás Neutro: ar, hélio e outros. 
Vapores: vapor d'água e outros.
Gases de Combustão: resultantes da queima de combustível + oxigênio.
 Classificaçãodos motores de combustão interna
Os motores de combustão interna são classificados de acordo com o modo de queima do combustível em motores com ignição por centelha e motores com ignição por compressão. 
Estes últimos também são também conhecidos por motor diesel. Motores movidos à gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição por centelha. 
Neste caso, a queima de combustível éiniciada com uma centelha fornecida pela vela de ignição, que é um componente instalado na superfície superior do cilindro, na parte chamada cabeçote do cilindro. Motor diesel normalmente utiliza o óleo diesel como combustível. Nestes motores a ignição é iniciada pela injeção de combustível no cilindro através de bicos injetores. 
A combustão em motores diesel se dá de maneira espontânea, estimulada porelevadas pressão e temperatura da mistura ar/combustível no cilindro. Os motores também podem ser classificados como de quatro tempos ou dois tempos. Durante seu funcionamento, um motor continuamente admite uma quantidade de ar e combustível, comprime e queima a mistura e a deixa expandir antes de expulsá-la do cilindro. 
Quando este ciclo é feito ao tempo em que o pistão executa quatro movimentos,dois para cima e dois para baixo, o motor é chamado de quatro tempos. Quando o pistão realiza somente dois movimentos durante o ciclo, um para cima e um para baixo, o motor é chamado de dois tempos.
 Diferenças entre o ciclo 4 tempos e 2 tempos. 
A principal diferença é que no ciclo de 2 tempos o sistema de válvulas são substituídaspor janelas que podem ser abertas na parede do cilindro. Que são abertas e fechadas pelo pistão no seu movimento cíclico. Já no 
Motor 4 tempos, o funcionamento do motor acontece por meio da repetição de ciclos, com quatro etapas. O primeiro tempo é o da admissão, onde acontece o movimento do pistão do Ponto Morto Alto para o Ponto Morto Baixo com a válvula de admissão aberta.
 1º Lei da Termodinâmica
Durante uma transformação, o gás pode trocar energia com o meio ambiente sob duas formas: calor e trabalho. Como resultado destas trocas energéticas, a energia interna do gás pode aumentar, diminuir ou permanecer constante.
A primeira lei da termodinâmica é, então, uma Lei da Conservação da Energia, podendo ser enunciado:
A variação da Energia interna ΔU de um sistema é expressa por meio da diferença entre a quantidade de calor Q trocada com o meio ambiente e o trabalho W realizado durante a transformação.
Analiticamente:
ΔU = Q - W
 2º Lei da Termodinâmica
A segunda Lei da Termodinâmica, tal como foi enunciado pelo físico francês Sadi Carnot, estabelece restrições para a interconversão entre calor e trabalho, realizada pelas chamadas máquinas térmicas.
Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um  sistema deve realizar continuamente ciclos entre uma fonte quente e uma fonte fria, que permanecem em temperaturas constantes. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor (Q1) da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho (W), sendo o restante (Q2) rejeitado para a fonte fria.
 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 máquina térmica, e a potência total calor fornecido a máquina térmica pela fonte quente:
 
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 energiainterna das substâncias 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.Basicamente, uma máquina térmica é constituída por dois reservatórios, como mostra a figura. 
O calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixa (fontefria), obedecendo a Segunda Lei da termodinâmica e transformado parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. 
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, o que deixa claro que sua eficiência é menor do que 1.
Lembre-se que o sistema recebe calor, a quantidade de calor é positiva (Q>0) e se o sistema cede calor, 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 aperda de uma quantidade de calor em qualquer máquina a vapor, o que foi a base para a Segunda Lei da termodinâmica. 
 Maquina de refrigeração
Os sistemas de refrigeração provocam o resfriamento de interiores, como ar condicionados, refrigeradores e freezers. 
Os objetivos principais da refrigeração são armazenamento de alimentos a baixas temperaturas para evitar ação de bactérias e o surgimento bolor oufermentação e manter uma temperatura 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 geladeiras 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 possível o sentido inverso da troca de calor.
 Alguns Exemplos de Máquinas Térmicas
Exemplo 1: 
Maquina a vapor: Cilindro e pistão da máquina a vapor. Vapor da caldeira empurra o pistão para a direita. O vapor de exaustão escapa pelo cano de exaustão, E. A válvula deslizante se desloca então mudando a entrada do vapor no cilindro; o pistão é empurrado novamente para a esquerda.
Exemplo 2:
Locomotiva a vapor: Os gases quentes da combustão do carvão passam por longos e finos, tubos envolvidos por água para fervê-la. O vapor da caldeira entra no tubo de vapor e passa pelos cilindros, o vapor usado escapa por C, junta-se com a fumaça saindo pela chaminé.
Exemplo 3:
Motor a gasolina: Os quatro tempos de um motor a gasolina. (A) Aspiração; (B) compressão; (C) explosão; (D) exaustão. 
Cada cilindro deve passar por êsse ciclo de quatro tempos: aspiração, compressão, explosão, exaustão. Observe que há um tempo de explosão para duas revoluções de um motor de um só cilindro. Para a manutenção do movimento, a roda deve ser pesada. Um motor de quatro cilindros tem dois tempos de explosão para cada revolução; um motor de oito cilindros tem quatro tempos de explosão para cada rotação, ou um quarto de rotação para cada explosão. O motor de muitos cilindros dá um suave fluxo de explosões. O rendimento do motor de um automóvel em boas condições pode variar de 22 a 28 por cento.
Exemplo 4:Turbina a vapor: Turbina a vapor e gerador elétrico. Note que o capor passa por três estágios na turbina, de alta pressão no primeiro estágio a baixa pressão no terceiro. As rodas da turbina são sucessivamente maiores porque o vapor se expande à medida que passa pela turbina. Mostram-se claramente as lâminas girantes. Entre cada conjunto de lâminas girantes há lâminas estacionárias, fixas. As lâminas estacionárias impelem o vapor contra o próximo par de lâminas girantes.