APS CARRINHO A VAPOR[1]

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UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA 
Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas 
Engenharia Mecânica – Turma: EM5P14/NOTURNO 
 
 
 
CARRO MOVIDO A VAPOR 
(APS – Atividades práticas supervisionadas) 
 
 
 
 
 
 
Davi de Abreu Ávila RA: C649HE1 
Igor do Amaral Antunes RA: C59CCJ8 
Allisson Glauco Moreira RA: C447GB8 
 
 
 
 
Araçatuba-SP 
2017 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
 
1. 
1. OBJETIVO DO TRABALHO 2. 
2. PESQUISA SOBRE PROPULSÃO À VAPOR 3. 
3. CONCEITO DE POTENCIA 4. 
4. PRODUÇÃO DE VAPOR TENDO NA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS 5. 
5. CARACTERIZAÇÃO DE UMA CALDEIRA 6. 
6. CALDEIRAS A COMBUSTÃO 7. 
7. TIPOS DE CALDEIRAS A COMBUSTÃO 8. 
8. O RETORNO DO CONDENSADO 9. 
9. A VÁLVULA DE SEGURANÇA 10. 
10. CÁLCULO DO RENDIMENTO DE UM (GV) GERADOR DE VAPOR 11. 
11. PERDAS DE CALOR NUM GV 12. 
12. RENDIMENTO TÉRIMICO DE UM GV 13. 
13. A FÍSICA ENVOLVIDA 14. 
14. O QUE É ENERGIA 15. 
15. TIPOS DE ENERGIA 16. 
16. ENERGIA POTENCIAL 17. 
17. FORÇA DE ATRITO 18. 
18. TEMOS DOIS TIPOS DE COEFICIENTES DE ATRITO 19. 
19. RELAÇÃO VELOCIDADE X ATRITO 20. 
20. VELOCIDADE ANGULAR 21. 
21. TERCEIRA LEI DE NEW 22. 
22. CONCLUSÃO 23. 
23. BIBLIOGRAFIA 24. 
 
 
 
 
 
 
 
Objetivo do Trabalho 
Verificar que o calor pode ser utilizado para a realização de trabalho mecânico. 
Utilizando água à temperatura elevada que entra em ebulição e se transforma 
em vapor. Se a experiência for feita num recipiente fechado, o vapor formado 
deverá aumenta de volume e não podendo dilatar-se livremente, adquire força 
expansiva acionando um sistema mecânico e tracionando o protótipo que 
entrará em movimento permitindo assim o transporte de uma massa padrão de 
100g, por uma pista de dimensões pré-estabelecidas em linha reta com 
cronometragem de tempo. 
Pesquisa sobre Propulsão à Vapor 
 
Figura 1 - O veículo de Stephan Farfler 
Este veículo, verdadeiro precursor das cadeiras de rodas, foi construído na 
Alemanha por Stephan Farfler em 1649. Relojoeiro de profissão, Farfler 
concebeu um mecanismo de engrenagens através do qual transmitia a força de 
seus braços à roda dianteira do veículo. Esse foi o primeiro veículo a dar 
alguma autonomia aos deficientes físicos 
 
Figura 2 - O carro de Haustch 
Um dos primeiros automóveis foi criado pelo mecânico Johann Haustch em 
1649. Hautsch era um fabricante de bússolas, e criou um mecnismo de 
engrenagens e pedais para propelir o veículo. Sua "velocidade" era de 2000 
passos por hora. Na dianteira, sobre o chassis ricamente esculpido, era 
colocado um dragão com a goela aberta. Dos dois lados, dos anjos 
embocavam duas trombetas. Se a multidão se aproximasse demais da viatura, 
as trombetas começavam a tocar, e se o público ficasse parado boquiaberto 
diante da viatura, o dragão lançava um jato de água para abrir caminho 
 
Figura 3 Carro a vapor atribuído a Isaac Newton 
A criação desse curioso veículo a vapor de 1680 é atribuída a ninguém menos 
que Isaac Newton. Não existe uma comprovação segura de sua autoria, sendo 
mais provável a sua citação em livros didáticos de física como uma ilustração 
da terceira lei de Newton da dinâmica, onde uma força sempre gera uma outra 
força em reação, de mesma direção e grandeza, e de sentido contrário 
 
Figura 4 A Eolipila 
Este tipo de veículo, similar àquele utilizado pelo padre Verbiest, já era 
conhecido há bastante tempo. O principal testemunho é um manuscrito alemão 
do século XV, o qual descreve um veículo como esse. Em 1748, um 
eclesiástico francês, o abade 
Nolet, construiu um veículo desses, com propulsão a jato de vapor. Um veículo 
deste tipo está conservado em Karlsruhe, na Alemanha. Foi construído por um 
francês em 1775. Entretanto, assim como no caso do padre Verbiest, eles não 
eram considerados seriamente, e foram somente ensaios efetuados usando a 
propulsão pelo vapor. 
 
 
Figura 5 Cugnot 
O primeiro veículo a vapor que realmente funcionou foi construído por Nicolas 
Joseph Cugnot (1725-1804), em 1770. Cugnot, empregado no Arsenal Real em 
Paris, recebeu a incumbência de construir uma máquina capaz de rebocar 
canhões até o campo de batalha. Seu desajeitado veículo, pesando quatro 
toneladas, foi capaz de se deslocar a uma velocidade de 3,6 km/h durante 12 a 
15 minutos, antes de precisar ser reabastecido com água. Mudanças políticas 
no ministério fizeram com que ele não prosseguisse o desenvolvimento de 
suas máquinas, e daí para a frente foram os ingleses que assumiram a 
dianteira no desenvolvimento de veículos a vapor. Ainda assim, cabe a Cugnot 
o crédito pela construção do primeiro veículo a vapor do mundo. 
 
Figura 6 William Murdock e seu veiculo 
Outro pioneiro na construção de veículos de estrada a vapor foi William 
Murdock, que trabalhava em Cornwall para a firma de Motores Boulton e Watt. 
Ele construiu seu veículo em 1784. Realizou uma viagem com seu veículo até 
a igreja de Reduth numa noite, fez tudo que pôde para manter sua invenção 
em segredo, mas não adiantou. Seus patrões lhe roubaram a idéia e a 
patentearam, e ele não colheu os frutos de seu esforço. 
 
Figura 7 Viatura a vapor de Symington 
Seguindo os passos de Murdock, William Symington construiu em 1786 a 
primeira viatura destinada ao transporte de passageiros. Ela funcionava bem, 
mas Symington desanimou devido à péssima situação das estradas de então, 
que constituíam um empecilho à livre circulação de suas viaturas. 
Posteriormente dedicou-se à navegação a vapor, que não oferecia este tipo de 
problema. O conjunto mecânico deste veículo era similar aos que surgiram de 
1801 em diante, e as demonstrações efetuadas mostraram a viabilidade de seu 
veículo. Poderia Symington, desta forma, ter se tornado o pioneiro dos 
transportes terrestres a vapor 
 
 
Figura 8 Viatura a vapor de Trevithick 
 
Figura 9 Diligência a vapor de James 
W.Henry James foi um inventor extremamente criativo do princípio do século 
XIX. Em 1824, ele obteve patentes para dois motores que eram acionados por 
cilindros independentes, cada um deles comandando rodas motrizes em 
separado. Posteriormente, patenteou uma caldeira tubular a alta pressão, e 
então procurou um sócio para empreender a construção de um veículo a vapor. 
Conjuntamente com Sir 
James Anderson, ele construiu, entre 1826 e 1828, uma diligência para 15 
passageiros, a qual atingia a velocidade de 19 a 24 km/h. Ao realizar um teste 
na floresta de Epping, uma das caldeiras entrou em pane, mas, utilizando a 
restante, ele pôde completar a viagem, ainda que em velocidade mais baixa. 
Dificuldades financeiras forçaram James a abandonar seus projetos. 
 
Figura 10 Diligência a vapor de Burstall e Hill 
Burstall e Hill iniciaram a construção de uma diligência em 1824, a qual fez 
seus testes inicialmente em Leith, depois em Edimburgo, em 1826, e 
finalmente em Londres, em 1827. O que distingue sua viatura é o fato dela ter 
sido a primeira a utilizar um sistema de transmissão por cardã, através de uma 
junta universal. Infelizmente, seu veículo era muito pesado, tinha 8 toneladas, e 
seu desempenho deixou muito a desejar. Em um dos testes, inclusive, seu 
veículo terminou explodindo. Burstall e Hill não desanimaram, e construíram 
outro veículo, no qual o conjunto motor era separado do reboque de 
passageiros. Foi a primeira aparição de um conjunto trator, de posterior adoção 
universal. 
 
Figura 1 Diligência de Gurney 
Gurney começou a fazer experimentos com veículos a vapor em 1823, e 
depois de uma ou duas tentativas, ele produziu uma nova carruagem, "nova e 
aperfeiçoada", em 1827. Ela levava 27 passageiros, e tinha uma caldeira de 
tubos para a produção do vapor. Além disso, ele colocou "pernas de impulso" 
adicionais, caso as rodas patinassem ao tracionar, mas isto se verificou 
desnecessário.Gurney enfrentou forte oposição, e até mesmo hostilidade, 
tendo sido ele e os ocupantes da carruagem espancados por trabalhadores 
agrícolas numa feira em Melkshan. Eles odiavam as máquinas, pois entendiam 
que estas ameaçavam seus interesses. 
 
Figura 12 Diligência do coronel Macerone 
Francis Macerone foi um inglês filho de italiano, e nasceu em Brimingham em 
1788. Militar ativo, chegou a ser ajudante de campo de Murat na queda do 
Império Napoleônico. Ao voltar para a Inglaterra após a derrota de Napoleão, 
ele se dedicou à locomoção a vapor, tendo até mesmo colaborado com Gurney 
em 1828. Desejando construir uma máquina mais rápida, ele se associou a 
Squire, e com ele construiu, em 1832, uma diligência bastante aperfeiçoada. 
Ela podia transportar oito passageiros, e percorreu 2.700 km durante 18 meses 
sem nenhum problema maior. Vítima de um escroque de nome Dada, que lhe 
encomendou três viaturas, duas das quais não foram pagas, Macerone acabou 
falindo em alguns anos. 
 
Figura 13Hancock 
Hancock foi um dos pioneiros que levaram a carruagem a vapor a um alto 
estágio de desenvolvimento. Ele construiu diversas delas, incluindo a Autopsy, 
a Enterprise e a Era, todas elas dotadas de motores poderosos, de alta 
pressão de vapor. O seu Automaton, de 1836, levava os passageiros, o guia e 
o motorista em assentos na parte frontal do veículo. O motor e a caldeira 
estavam montados na parte traseira, com espaço para alguns assentos 
"internos" (bastante desconfortáveis). O ônibus de Hancock e pesava 3,5 
toneladas e andava a 16 km/h, velocidade na qual o motor girava a 70 rpm. 
 
Figura 14 Triciclo a vapor de Rickett 
Apesar da grande repressão à locomoção mecânica viária no Reino Unido, 
alguns pesquisadores resistiram, e conseguiram produzir dispositivos 
relativamente bemsucedidos. Em 1854, o escocês Thomas Rickett construiu 
um triciclo a vapor de dois lugares, que apresentava uma novidade na 
construção automobilística de então, a colocação da caldeira horizontalmente. 
Esta técnica provavelmente se inspirou no domínio ferroviário. Seu sucesso 
relativo ocasionou uma encomenda, a do Marquês de Stafford, em 1858. Em 
1860, foi a vez do Conde de Caithness receber um veículo das mãos de 
Rickett. As inúmeras restrições existentes ao uso desses veículos impediram 
um maior sucesso, que só foi acessível a construtores que sucederam a 
Rickett. 
 
Figura 15 Carro a vapor de Bordino 
Virgilio Bordino, engenheiro do exército italiano, construiu este veículo em 
1854, em Turim. Ele utilizou a experiência adquirida em sua estada na 
Inglaterra, junto a construtores de veículos viários a vapor, para chegar a um 
modelo que funcionasse. Seu projeto se assemelha, em linhas gerais, àqueles 
dos construtores ingleses de sucesso desse período, tais como Hancock e 
Gurney. O destino deste veículo, entretanto, não foi muito brilhante, quer pelas 
deficiências intrínsecas deste tipo de projeto, quer pela grande resistência das 
pessoas a estas máquinas aparentemente ameaçadoras. 
 
Figura 16 Locomotiva viária de Fowler 
Na Inglaterra, a partir da década de 1830, tornou-se quase impossível aos 
construtores de veículos viários a vapor continuarem seus trabalhos. Uma 
infinidade de obstáculos legais e administrativos foi erigida contra suas 
atividades, principalmente por pressão dos donos de ferrovias e dos 
proprietários de diligências hipomóveis. Banidos das estradas puderam, 
entretanto, desenvolver com grande sucesso alguns veículos para uso na 
lavoura. Um dos construtores desse tipo de veículo foi Fowler, com seu veículo 
de 1862, que pesava de 9 a 10 toneladas. Além de servir como trator, quando 
parado fornecia energia para a mecanização do beneficiamento do trigo. A 
imagem mostra uma bem conservada locomotiva de Fowler de 1871. 
 
Figura 17 Obéissante de Bollée 
Entusiasta da locomoção mecânica, Amédée Bollée criou, em 1873, sua 
primeira viatura a vapor, batizada por ele com o nome Obéissante, a 
Obediente. Ela usava uma caldeira Field com tubos de água, situada na 
traseira do veículo, tinha um diferencial, e também um eixo dianteiro montado 
sobre dois pivôs. Estas características lhe permitiam atingir 30 km/h, levando 
12 passageiros. Tendo demonstrado ser confiável sua viatura, Bollée recebeu 
uma autorização para conduzi-la entre diversos municípios, segundo um 
itinerário preestabelecido. 
 
Figura 18 A Mancelle de Amédée Bollée 
Construída em 1878, a Mancelle foi uma viatura revolucionária. Ela tinha um 
motor de três cilindros, uma transmissão que incluía pinhões cônicos e 
correntes. Tinha também um diferencial. Cada roda dianteira tinha uma 
suspensão independente por meio de um feixe de molas transversais. A 
direção era do tipo de pinhão e cremalheira, sendo que esta era feita em forma 
de arco. A Mancelle podia ser fornecida com duas carrocerias: caleche e sege 
postal. Foi um grande sucesso comercial, e que levou Bollée a contratar 50 
operários, dedicados à construção deste veículo. 
 
Figura 19 O Faeton De Dion-Trépardoux 
Neste modelo de 1885, o Faeton, um dos primeiros resultados da associação 
entre De Dion, Bouton e Trépardoux, a caldeira foi posicionada em cima do 
eixo traseiro, e ela era administrada por um foguista que se sentava na traseira 
do veículo. A condução do veículo foi colocada na dianteira. 
 
Figura 20 Os automóveis de Lucius Copeland 
No final da década de 1880, tornou-se muito comum a fabricação de viaturas 
leves a vapor, sendo freqüente o aquecimento da caldeira a petróleo. Nos 
Estados Unidos, Lucius Copeland foi o pioneiro dos triciclos a vapor. Em 1885, 
ele fabricava máquinas equipadas com uma pequena caldeira. O vapor gerado 
era transmitido a uma máquina, e o movimento gerado acionava as rodas por 
meio de uma correia. 
 
Figura 21 Locomotiva Viária de Lotz 
O inventor francês Lotz, de Nantes, inspirado nos veículos construídos por 
Rickett, construiu em 1865 uma viatura de turismo de três rodas. Seu interesse, 
entretanto, voltou-se para construção de locomotivas viárias. No ano seguinte, 
ele produziu uma destas máquinas, que percorreu o trajeto Paris-Nantes em 8 
dias, rebocando 3 furgões carregados. No mesmo ano, ele desenvolveu um 
veículo mais aperfeiçoado, ao qual batizou com o nome La France. Com 
diversas inovações técnicas, como a possibilidade de se desacoplar 
independentemente cada uma das rodas motrizes, para facilitar as curvas, ela 
teve muitas encomendas, tanto para utilização na França quanto na Argélia. 
 
Figura 2 Triciclo De Dion-Bouton-Trépardoux 
Procurando sempre aperfeiçoar seus veículos, a firma De Dion-Bouton e 
Trépardoux lançou, em 1887, seu novo triciclo, uma versão bastante evoluída 
do modelo de 1883. Neste ínterim, Trépardoux aperfeiçoou uma nova caldeira, 
mais poderosa. Além disso, o veículo era muito mais leve, e a caldeira de 
pequeno porte permitia total visibilidade ao condutor. Tendo sido a única 
viatura a se apresentar na primeira corrida de "viaturas sem cavalos", em 28 de 
abril de 1887, o pequeno triciclo percorreu sem dificuldade o trajeto de ida e 
volta de Paris a Versalhes, com uma média horária de 26 km/h. Foi um 
sucesso sem precedentes e uma consagração para a marca. 
 
Figura 23 Pecori 
Enrico Pecori foi um dos pioneiros da locomoção mecanizada na Itália. 
Inspirado nos veículos de De Dion, ele construiu, em 1891, um triciclo movido a 
vapor. Embora um tanto defasado, uma vez que nessa época os motores de 
combustão interna começavam a se afirmar, seu veículo funcionava 
satisfatoriamente. Sua transmissão era a corrente, e tinha uma direção 
acionada com varas, bastante simples. Seu sucesso foi relativo, e o 
desenvolvimento da indústria automobilística na Itália ainda teria de aguardar a 
era dos motores de combustão interna. 
 
 
Figura 24 O trator De Dion de 1894 
Pensando no aproveitamentodos veículos hipomóveis existentes, De Dion e 
Bouton criaram, em 1894, um trator que funcionava à moda de um cavalo 
mecânico atual. 
Sua caldeira era colocada na frente, e a chaminé tinha seu escape pela parte 
inferior do veículo, de modo a não incomodar os passageiros. Vemos nas 
imagens dois exemplos da utilização deste trator em dois veículos diferentes. 
Nota-se que para poderem ser tracionados pelo trator, foi retirado o trem 
dianteiro destes veículos a cavalo. 
 
Figura 25 Ônibus e tratores Scotte 
A firma Scotte, aparecida no final do século XIX, era francesa, ao contrário do 
que o nome poderia sugerir. Sua produção se iniciou com um ônibus a vapor 
em 1894, equipado com uma caldeira vertical de tipo Field, e que podia 
transportar doze passageiros. Patrocinada pelo banco Société Générale, ela se 
dedicou ao transporte de passageiros e mercadorias. Eram famosos seus trens 
automóveis a vapor, compostos de uma viatura motriz e um reboque. Este 
conjunto transportava 40 passageiros a uma velocidade de 12 a 15 km/h. 
 
Figura 26 Viatura a vapor dos irmãos Stanley 
Os irmãos gêmeos Francis e Freeland Stanley foram os construtores, nos 
Estados Unidos, de uma das viaturas a vapor de maior sucesso. Produzida em 
1897, em plena era da ascensão do motor a gasolina, sua máquina era, 
entretanto, a mais rápida de seu país. Apesar das limitações dos veículos a 
vapor, tais como a necessidade de freqüentes reabastecimentos, a corrosão 
das caldeiras, etc, o veículo dos Stanley tinha um desempenho muito superior 
aos automóveis de então. Os veículos a gasolina rivais necessitaram ainda de 
um tempo para igualar as marcas alcançadas por este carro a vapor. 
Assim, numa sequência cronológica, força manual, ventos, carvão e 
combustíveis derivados do petróleo foram utilizados no sentido de mover os 
meios flutuantes cada vez mais rapidamente e com mais proveito. Mas, 
engana-se quem pensa que essas forças foram substituídas umas pelas outras 
na medida que foram surgindo, o que houve foi apenas incorporação de mais 
opções de fontes de energia. Especialmente o vapor, que surgiu com a queima 
de carvão, passou para queima de óleo combustível para aquecer a água e, 
depois da segunda grande guerra, a energia nuclear, oriunda do urânio e 
outros elementos, passou a ser a fonte primária de calor para as belonaves 
chamadas atômicas. 
Primeiro foram os EUA que construíram o ―Nautilus‖ um submarino precursor 
que, munido de dois reatores que provocavam a fissão do urânio, aqueciam a 
água para transformar em vapor que movia turbinas que impulsionavam o 
submersível. Desde então, milhares de navios das armadas de diversos países 
são movidos dessa maneira. Há que observar que as turbinas usadas nas 
embarcações marítimas atômicas são apenas versões mais aperfeiçoadas da 
turbina inventada por Sir Charles Parsons em 1987. Então, o que significa 
isso? Simples, os submarinos e porta-aviões mais modernos, com os sistemas 
de propulsão de ponta, são simplesmente belonaves movidas a vapor. A única 
coisa que as diferencia daqueles navios do século dezenove, é o modo como a 
água é aquecida para se transformar no vapor que move a embarcação. 
Naquele tempo o carvão era a fonte de energia calorífica e agora são 
elementos nucleares que fornecem o calor. Portanto, continuamos a ver 
―navios a vapor‖ nos dias de hoje como era no século dezenove, e não há 
qualquer indicação que o vapor vai deixar de ser usado num futuro previsível. 
Aliás, se a barreira psicológica que impede que as pessoas confiem na energia 
atômica como fonte de energia for superada, é possível que venhamos a 
assistir uma grande demanda de navios mercantes ―atômicos‖ dentro de alguns 
anos. 
 
Os engenheiros da Antiguidade conheciam o motor a vapor O conceito de 
propulsão a vapor é associado em geral aos enorme motores da Revolução 
Industrial. No entanto, quase dois mil anos antes, um inventor de Alexandria 
projetou um motor a vapor que funcionava. Foi um dos muitos pensadores 
antigos que compreendiam os princípios básicos da engenharia moderna. Uma 
visita a Alexandria, no século I d.C., era uma viagem ao coração do mundo 
antigo. Ali, à sombra de Faros, o maravilhoso farol, havia prédios consagrados 
ao saber humano. A rua principal, com 30 m de largura e 5 km de extensão, 
levava à famosa biblioteca, que continha cerca de meio milhão de livros 
escritos em papiro, ou ao Museion, onde estudiosos conviviam com artistas 
plásticos, poetas e artesãos, trabalhando pelo progresso do conhecimento. 
A cidade fora fundada por Alexandre, o Grande, em 331 a.C. Nos séculos 
subseqüentes, Alexandria tornou-se um centro da ciência, filosofia e 
engenharia. Foi também a terra de alguns dos maiores gênios que o mundo já 
produziu. Os egípcios haviam construído monumentos espetaculares a seus 
faraós; os babilônios desenvolveram o calendário e a matemática; mas a 
palavra ―idéia‖ é grega. Alexandria foi a sede da dinastia ptolomaica - os 
soberanos macedônios do Egito. A cidade uniu idéias persas, egípcias, 
babilônicas e gregas. A ciência aplicada era tão importante quanto a filosofia 
para os gregos. A roldana, o guincho e a manivela são mencionados pela 
primeira vez em Mecânica, obra de Aristóteles. 
Invenções: Na história das invenções, Herão de Alexandria ocupa lugar de 
honra. São de sua autoria cerca de oitenta artefatos engenhosos. Sua esfera 
giratória a vapor deve ter impressionado seus contemporâneos. O motor a 
vapor de Herão Herão é considerado o maior inventor de Alexandria. Sua 
criação mais extraordinária foi a ―bola de vento‖, que convertia energia térmica 
em movimento mecânico, e assim pode ser considerada um motor, o primeiro 
acionado por vapor. Nunca teve qualquer aplicação prática, mas seus 
princípios básicos são fundamentos da engenharia moderna. 1) A água 
aquecida no caldeirão fechado começa a ferver e se transforma em vapor. 2) 
Um tubo, provavelmente de cobre, leva o vapor do caldeirão para a bola de 
metal. 3) O vapor se acumula dentro da bola. 
4) Jatos do vapor são forçados a sair pelos dois tubos de cobre, em formato de 
L, nos lados opostos da bola, que começa a girar. 5) Os eixos se encaixam na 
bola com mancais, permitindo giros. À medida que o calor aumenta a bola gira 
mais e mais depressa. Numa das invenções de Herão, o vapor produzido por 
um caldeirão de água sobe por um tubo até uma abertura parecida com um 
copo. Ali, a força do vapor mantém uma pequena esfera de metal suspensa no 
ar. 
A busca do conhecimento Os gregos são mais conhecidos por suas 
realizações nas artes e na filosofia. Acredita-se erroneamente que as proezas 
técnicas do Ocidente só vieram com o Império Romano. Na verdade, porém, os 
gregos construíram faróis, canais, túneis, motores a vapor, bombas, prensas, 
calculadores astronômicos, relógios e autômatos. Numa sociedade baseada no 
trabalho escravo, os gregos não precisavam aplicar tudo o que sabiam em 
termos práticos. Dispunham de farta mãode-obra para transportar matéria-
prima e erguer edifícios. Além disso, sua inspiração era o conhecimento puro, e 
não o lucro. E isso explica por que o controle da energia - vital para os trens, 
navios e carros a motor da era industrial – tinha pouca importância para os 
engenheiros antigos. Apesar disso, foi um alexandrino, trabalhando em projetos 
de engenharia de pequena escala, há quase dois mil anos, quem primeiro 
compreendeu o potencial da energia do vapor. Herão, considerado o maior 
engenheiro de Alexandria, viveu no século I d.C. Embora herdeiro de uma rica 
tradição grega, é bem possível que ele tivesse origem egípcia. Herão gostava 
de oferecer espetáculos, fascinando seus concidadãos com a chamada magia 
científica. Sabemos disso porque ele era instado com freqüência a criar 
―divertimentos‖ mecânicos. Mas o showman fazia uma nítida distinção entre os 
artefatos mecânicos que ―atendem demandasda vida‖ e aqueles que 
―produzem espanto e admiração‖. E devotou igual energia a ambos. Motor a 
vapor O motor a vapor foi o primeiro tipo de motor a ser amplamente usado. 
Ele foi inventado por Thomas Newcomen, em 1705, e James Watt (que 
lembramos a cada vez que falamos sobre lâmpadas de 60 watts) fez grandes 
melhorias nos motores a vapor, em 1769. Os motores a vapor movimentaram 
as primeiras locomotivas, barcos a vapor e fábricas e, dessa forma, foram a 
base da Revolução Industrial. Neste artigo, veremos exatamente como os 
motores a vapor funcionam. 
Conceito de Potencia 
Potência é o conceito da física que é definido pela razão do trabalho realizado 
(ou energia transformada) em determinado intervalo de tempo: 
 
 
 
A unidade de medida da potência no Sistema Internacional é o watt (W), em 
homenagem ao cientista escocês James Watt (1736 – 1819). Outra unidade 
comum é o cavalo-vapor (cv), em que 1cv = 735W. 
Em um período anterior a Revolução Industrial, os trabalhos mais pesados, 
como o transporte de cargas, por exemplo, eram realizados por tração animal. 
Cavalos e bois eram empregados no transporte, nas lavouras e também nas 
fábricas para retirar água dos poços e carvão das minas. Com o intuito de 
indicar a potência de sua revolucionária criação e ainda demonstrar como era 
capaz de substituir vários animais, Watt comparou o desempenho de sua 
máquina a vapor com o trabalho da força realizada por um cavalo. Um eqüino 
forte consegue elevar cerca de 73,5 kg de carga, a 1m de altura, a cada 1s. 
Assim temos que: 
 
 
Figura 29 Esquema de Potência 
Assim, definiu-se que, aproximadamente, 735W seriam equivalentes ao 
trabalho de um cavalo, dando a essa unidade o nome de cavalo-vapor, ou 
simplesmente, cv. No sistema inglês usa-se um valor um pouco diferente 
chamado horse power, ou HP, porém a ordem de grandeza é a mesmas: 1hp = 
1,0139cv. Essa diferença se deve às unidades de medida utilizadas para o 
cálculo, já que 1hp é definido como potência necessária para elevar uma carga 
de 150 libras à velocidade de 4 pés/s. 
É muito comum essa unidade ser usada para tratar da potência do motor dos 
automóveis e em outros aparelhos como cortadores de grama e motosserras. 
Produção de vapor tendo como exemplo a Indústria de Laticínios 
A geração de vapor é muito importante numa indústria de laticínios, já que o 
vapor gerado é utilizado entre outros processos para a higienização 
(equipamentos e utensílios) e como meio de troca de calor do leite 
(pasteurização e esterilização). 
Caracterização de uma Caldeira 
Combustíveis mais usados: lenha, gás e óleo. Eficiência do sistema: 80% a 
90%. Temperatura do vapor gerado: entre 140 ºC e 150 ºC. Pressão do vapor 
gerado: entre 270 kPa e 385 kPa (2,7 bar e 3,85 bar). Mas por que vapor 
dágua? O vapor de água apresenta várias qualidades que tornam seu uso 
atraente para atividades industriais: 
• Alto poder de armazenamento de energia sob a forma de calor. 
• Transferência de energia a temperatura constante. 
• Capacidade de possibilitar transformação de energia de calor para 
 
outras formas. 
• Uso cíclico e em vários níveis de pressão e temperatura. 
• Limpo, inodoro, insípido e não tóxico. 
• Fácil distribuição e controle. 
• Matéria-prima (água e combustível) de baixo custo. 
Desvantagens: Sistema de geração de vapor mais complexo e caro. 
 
É o vapor gerado após a mudança de fase da água de líquido a vapor, à 
temperatura de ebulição. Pode ainda estar úmido. Vantagens: baixa 
complexidade e custos. Usados em sistemas de aquecimento à troca de calor. 
É o vapor (seco) gerado a partir do vapor saturado, onde este sofre uma 
elevação de temperatura. Vantagens: Quase sem formação de condensado 
(maior eficiência de troca térmica). Usados além de aquecimento para trabalho 
mecânico (bombas, temperaturas constantes, tipos de vapor compressores, 
geradores, etc). 
. Desvantagens: Grande formação de condensado. 
Caldeiras a combustão 
A caldeira a vapor ou caldeira a combustão é o tipo de caldeira mais usada em 
laticínios. Podem ser verticais ou horizontais (mais comum). 
Tipos de caldeiras a combustão 
Flamotubulares 
Os gases de combustão passam no interior de tubos ou serpentinas que estão 
imersos em água. É o mais comum em laticínios, pela menor potência (até 30 
t/h), menor consumo de vapor e menores pressões (até 20 kgf/cm2). 
Geram somente vapor saturado, uma vez que este sai de um vaso com água 
líquida até pelo menos sua metade, sem receber qualquer aquecimento 
posterior. 
 
Figura 30 Caldeira Flamotubular 
(saturado) 
Quando a pressão interna do vapor atinge um nível pré-determinado, 
a 
Nela o gás ou combustível que queima é levado por ventilador até os tubos e 
descarregado ao final na atmosfera pela chaminé. O calor dos gases que fluem 
internamente aos tubos é conduzido através da parede dos tubos para a água 
externa aos tubos. Então, a água atinge seu ponto de ebulição e forma-se 
vapor válvula de vapor pode ser aberta e o vapor coletado é direcionado para 
as linhas de vapor da indústria. O queimador é ligado e desligado 
continuamente, mantendo a pressão de vapor constante, ao mesmo tempo em 
que a vazão de água é mantida constante. 
Quando a pressão do vapor é excedida, a válvula de segurança abre, liberando 
o vapor em excesso. 
Aquatubulares 
A água passa em tubos que cercam a região de combustão e a passagem dos 
gases de combustão ocupa a maior parte da caldeira, sendo depois 
descarregados na atmosfera pela chaminé. 
Neste caso, o vapor é gerado dentro dos tubos e não externamente. O vapor 
gerado pode passar então por outro aquecimento no superaquecedor, 
tornando-se superaquecido. 
O retorno do condensado 
O vapor gerado enquanto passa pelas tubulações é inevitavelmente resfriado 
pelo ar exterior aos tubos, condensando-se. Para reduzir a condensação sem 
contudo evita-la, as tubulações são protegidas por isolantes (geralmente lã de 
vidro). 
Os purgadores então podem coletar o excesso de condensado e este pode ser 
armazenado, podendo retornar como água de alimentação na caldeira, 
reduzindo as perdas de vapor. 
 
Figura 32 Processo de Geração de Vapor 
A válvula de segurança 
A válvula de segurança é o equipamento de segurança mais importante numa 
caldeira. 
Em uma caldeira, assim como numa panela de pressão de cozinha, por ser um 
recipiente rígido, à medida que o calor é fornecido à água, a pressão aumenta 
(até a PMTA – Pressão Máxima de Trabalho Admissível) junto com a 
temperatura até que aconteça a abertura da válvula de segurança pela própria 
pressão do vapor. Esse acionamento pode também ser manual pelo operador, 
liberando excesso de vapor para a atmosfera, evitando sobrecarga de vapor na 
caldeira e possibilidade de explosão. 
 
Figura 3 Válvula de Segurança - Fonte: catálogo SPIRAX-SARCO (2002-2004). 
Tabelas Termodinâmicas da Água Saturada e do Vapor Saturado para P = 1,5 
ata ―Atmosfera absoluta‖ 
 
 
Cálculo do rendimento de um (gv) gerador de vapor 
A principal forma de se avaliar um gerador de vapor, seria quanto a sua 
eficiência na conversão da energia contida no combustível necessária para se 
produzir vapor. 
 
Figura 34 Esquema de pontos de calor 
Obviamente, cada situação deve ser avaliada com cuidado. Economicamente 
nos dias atuais, esperamos que o gerador apresente o maior rendimento 
possível. Porém existe situações onde o rendimento do gerador é reduzido 
propositadamente devido a alguns fatores. Ex.: Empresa produz grande 
quantidade de resíduos, e estes são utilizados como combustível. Devido a 
grande disponibilidade, deve-se reduzir a eficiência para que os resíduos não 
se tornem um passivo ambiental. 
Para se determinar a eficiência, devemos levantar diversas informações, desde 
o tipo de equipamento até as perdas,quantidade de vapor produzido e 
combustível utilizado. 
Perdas de calor num gv: 
Basicamente são as parcelas de calor não aproveitadas ou perdidas na 
produção de vapor. Ocasionais: Decorrentes de má operação ou deficiência de 
projeto ou equipamentos. (São os piores e devem ser eliminados) Normais: 
Intrínseco a cada gerador, pré-fixadas pelo projeto, fazendo parte da operação 
do equipamento. Nas fornalhas: Na combustão incompleta, cinzas, irradiação 
das paredes das fornalhas, dos gases de exaustão, parada, partida e variação 
de carga do GV. Perdas em outras partes do GV. Vazamentos e principalmente 
por problemas de isolamento térmico. 
 
Figura 35 Esquema de pontos de calor 
Com a utilização de materiais isolantes, pode-se retardar ou atenuar o fluxo de 
calor entre o GV e o meio. Tipos: Fibras cerâmicas, lã de vidro, refratários, 
sílicas e silicatos. 
 
Figura 36 Troca de calor 
As perdas podem variar conforme o combustível utilizado a concepção e a 
construção de cada equipamento. As perdas podem atingir valores superiores 
a 40%. 
Rendimento térimico de um gv: 
A transferência de calor em geradores de vapor é um complexo conjunto de 
fenômenos que envolvem troca de calor por radiação, convecção e condução 
térmica. O equacionamento teórico deste conjunto é complicado e exaustivo e 
grande parte do conhecimento adquirido e aplicado a troca de calor em 
caldeiras e fornos em geral é fruto de relações empíricas obtidas por tentativa e 
erro. Muitas informações e dados sobre a troca de calor em caldeiras são 
propriedades dos fabricantes de equipamentos e, por razões óbvias, não estão 
disponíveis na literatura aberta. As caldeiras devem ser dimensionadas de 
maneira a encontrar um compromisso ótimo entre o custo de investimento, 
representado pelas características e dimensões das superfícies de troca de 
calor, e o custo operacional, representado pelo rendimento térmico global do 
equipamento, objeto de nosso estudo neste momento Para tanto, o 
conhecimento pleno da troca de calor relativo a caldeiras é primordial, porém, 
muitas vezes isto só é obtido após a construção e operação do equipamento. 
Dados obtidos com determinado tipo ou configuração de superfícies de troca 
de calor não são aplicáveis plenamente a configurações diferentes. 
Segundo os conceitos termodinâmicos, e estabelecendo um volume de 
controle para o equipamento, sabemos que: 
 
Figura 37 Balanço de energia 
Balanço de energia. Deve ser realizado de maneira criteriosa visando identificar 
os principais pontos. 
Rendimento térmico ou eficiência térmica ( ) de um GV consiste na fração do 
calor liberado pelo combustível na fornalha, que é absorvido pela água através 
dos elementos do equipamento. Eficiência Bruta = (Qútil / Qtotal) * 100 Qutíl = 
Calor Útil (W=J/s) Qtotal =Calor Total (W=J/s) 
Calor Total (Qtotal) Corresponde ao calor capaz de ser gerado pelo 
combustível ao ser queimado na fornalha. Qtotal = (mcomb * PCI) Onde: 
mcomb = quantidade de combustível utilizado (Kg/s) PCI = poder calorífico 
inferior do combustível (J/Kg) 
Calor Útil (Qútil) corresponde ao calor realmente aproveitado na geração de 
vapor, ou seja, aquele transmitido à água para transformá-la em vapor. Qútil = 
D * (hvapor – hágua) Onde: D = Descarga de vapor gerado pelo equipamento 
(kg/s) hvapor = entalpia do vapor gerado (J/kg) hágua = entalpia da água de 
alimentação (J/kg) 
Desta forma, Qperdido = Qtotal - Qútil Onde: Qperdido = Calor Perdido (J/s) 
Qperdido = Ƹ Qperdidos (soma de todas as parcelas perdidas) 
Muitas vezes o gerador de vapor possui diversos subsistemas que demandam 
potencia para seu acionamento, como por exemplo, bombas de circulação 
interna e ventiladores de exaustão e insuflamento. Assim, o cálculo da 
eficiência térmica de um GV, pode ser refinado ao se considerar mais pontos 
de entrada no balanço energético (devendo assim ser alocados na parcela da 
energia total e considerado no balanço de energia), ao considerar esta 
situação, o calculo é denominado de Eficiência Líquida. Exemplo: Calcular a 
eficiência térmica bruta e líquida de um GV levando em consideração: Caldeira 
tipo: Flamo tubular Produção de Vapor: 2000 kg/h, 170°C, 0,8MPa, =1, hv = 
2431 KJ/kg Água de alimentação: 20°C, h = 302 KJ/kg Consumo de 
combustível = 563 kg/h PCI do combustível : 12000 KJ/kg Potência demanda 
pelos sistemas auxiliares (Insuflamento e Tiragem): 0,2KW 
O rendimento térmico é fator indispensável na análise de seleção. Assim é 
possível estabelecer qual seria o equipamento mais indicado para satisfazer a 
uma determinada instalação industrial, calefação ou geração de energia 
elétrica. 
Além do rendimento, alguns fatores podem ser considerados: Tipo e 
características do combustível, Equipamento de combustão, Pressão e 
temperatura do vapor gerado, Variação da demanda de vapor, Custo de 
instalação, operação e manutenção, Espaço disponível, Amortização do 
investimento. 
A física envolvida Energia 
Desde o início do século X, a humanidade tem passado por um processo de 
transformações sem precedentes na História. A produção industrial e agrícola 
cresce continuamente, as cidades tornam-se cada vez maiores e esse 
processo tem uma conseqüência: precisa-se cada vez mais de energia. 
Com o aperfeiçoamento das máquinas, foi possível diminuir seu tamanho e 
aumentar sua potência. Inicialmente as máquinas eram usadas como bombas 
de água, depois passaram a ser usadas na indústria têxtil e serrarias. No final 
do século XVIII, surgem as primeiras locomotivas. 
O que é energia? 
Apesar de sua enorme presença na vida de todos e de sua importância como 
conceito científico nas explicações dos fenômenos naturais, é muito difícil 
expressar por meio de uma definição o que é energia. Em física existe uma 
definição: energia é a capacidade de realizar trabalho. Mas essa definição não 
agrada nem mesmo aos físicos, pelas limitações que ela tem. Quando vemos 
uma lâmpada iluminando uma sala dizemos que ela está emitindo energia 
luminosa. É difícil imaginar como essa energia luminosa, emitida pela lâmpada 
e que se espalha pela sala, pode ser vista como uma "capacidade de realizar 
trabalho". 
Assim, a compreensão do conceito de energia não vem do conhecimento de 
sua definição, mas sim da percepção de sua presença em todos os processos 
de transformação que ocorrem em nosso organismo, no ambiente terrestre ou 
no espaço sideral. No mundo macroscópico, das galáxias, estrelas e dos 
sistemas planetários, ou no microscópico, das células, moléculas, dos átomos 
ou das partículas subatômicas. 
Tipos de energia 
Podemos encontrar vários tipos de energia, dos quais se destacam duas 
categorias associadas ao movimento: energia potencial (energia de posição) e 
energia cinética (energia do movimento), que somadas nos dão a energia 
mecânica. 
Em = Ep + Ec 
Na categoria geral de energias do tipo potencial estão as energias que 
representam um potencial de interação armazenado por via de uma 
determinada posição relativa. Estas energias podem ser libertadas e 
convertidas noutras formas de energia, alterando o estado do sistema. A 
energia potencial está associada a uma força restauradora (tende a puxar um 
objeto à sua posição inicial quando o objeto é deslocado). 
Energia Potencial 
A energia potencial é um tipo de energia que está relacionada com a 
configuração do sistema, ou seja, esta relacionada com as posições do objeto. 
Podemos dizer também que energia potencial é a energia que pode vir a se 
torna energia cinética. Existem vários tipos de energia potencial, as mais 
conhecidas são as: gravitacional, elástica e potencial de vapor. 
A fórmula da energia potencial gravitacional é: 
Ep.g = m . g . h 
Neste projeto o vapor contido no reservatório tem energia potencial. Quando o 
vapor é liberado uma boa quantidade de energia se transformaem energia 
cinética pois o carrinho irá adquirir movimento. 
Primeira Lei de Newton Lei I: Todo corpo continua em seu estado de repouso 
ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a 
mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele. 
partícula não submetida a forças é descrito por uma velocidade (vetorial) 
constante 
Conhecida como princípio da inércia, a Primeira lei de Newton afirma que a 
força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é 
nulo, logo a velocidade do objeto é constante. Consequentemente: Um objeto 
que está em repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante aja 
sobre ele. Um objeto que está em movimento não mudará a sua velocidade a 
não ser que uma força resultante aja sobre ele. Newton apresentou a primeira 
lei a fim de estabelecer um referencial para as leis seguintes. A primeira lei 
postula a existência de pelo menos um referencial, chamado referencial 
newtoniano ou inercial, relativo ao qual o movimento de uma 
No momento em que transformamos a energia potencial em forma de vapor em 
energia cinética, a energia cinética demonstra que o carrinho de a vapor está 
em movimento, e esse continuará em movimento até que seja aplicado uma 
força contra contraria ao movimento. A principal força contraria ao movimento é 
a Força de Atrito. 
Força de Atrito 
Definimos força de atrito como uma força contrária ao movimento de um corpo. 
A força de atrito aparece em razão das rugosidades existentes nas superfícies 
dos corpos. O atrito depende da força normal entre o objeto e a superfície de 
apoio, quanto maior for a força normal maior a força de atrito. 
Matematicamente podemos calcular a força de atrito a partir da seguinte 
equação: Fat = µ.N., na qual Fat é a força de atrito; µ é a constante de atrito do 
material e N é a força normal, referente à força exercida pelo piso no carrinho. 
Temos dois tipos de coeficiente de atrito: 
Coeficiente de atrito dinâmico ou cinético: presente a partir do momento que o 
corpo efetua deslocamento. 
Coeficiente de atrito estático: presente quando o corpo se encontra na 
iminência do movimento, ou seja, no princípio da atuação da força externa. A 
força de atrito estático é maior que a força de atrito dinâmico. 
Relação Velocidade x Atrito 
Em condições normais, o automóvel ―arranca‖ sem que as rodas escorreguem 
sobre a estrada, isto é, sem derrapar, e portanto o atrito é estático. Se o carro 
―arrancar‖ derrapando, o atrito é cinético. Pressionando o acelerador, 
aumentamos a velocidade de rotação das rodas, ω, e portanto a velocidade do 
centro de massa, vCM (notar que vCM = ωR, sendo R o raio das rodas). A 
força de atrito estático (de módulo variável) tem de aumentar. Enquanto ela não 
atingir o valor máximo, o carro pode acelerar. Como a força de atrito cinético 
tem módulo inferior a esse valor máximo, podemos concluir que se consegue 
uma maior aceleração ao ―arrancar‖ com atrito estático, isto é, evitando que o 
carro derrape. 
No carrinho esta relação deverá ser bastante relevada pois o sucesso do 
carrinho depende do seu deslocamento e portanto derrapadas no início do 
movimento serão apenas desperdício da força acumulada na roda propulsora 
portanto deverá ser evitada. Por essa razão as rodas possuem faixas 
antiderrapante intercaladas para que o atrito entre a roda e o chão aumente. 
Velocidade angular 
Para caracterizar a rotação de todos os pontos de uma roda, basta saber qual 
o ângulo formado por um ponto qualquer em relação ao ponto central em um 
determinado intervalo de tempo. 
w = (deslocamento angular)/(intervalo de tempo) = Dj/Dt (rad/s) 
A velocidade angular (w) é expressa por: 
Nota 1: Rodas acopladas a um mesmo eixo têm mesma velocidade angular, 
mesmo período e mesma freqüência (ilustração abaixo, esquerda). 
 
Figura 39 velocidade angular 
Por essa razão serão usadas rodas maiores no carro a vapor pois para uma 
mesma velocidade do eixo será imprimida uma velocidade menor na roda 
propulsora o que resulta em menor velocidade do centro de massa e por fim 
menor velocidade do carrinho, aumentando o atrito em relação ao chão. O 
centro de massa do carro ficará localizado estrategicamente no centro da 
caldeira, pois estamos considerássemos como um ponto e que normalmente se 
relaciona com o centro de gravidade que por sua vez é o ponto de equilíbrio do 
corpo. 
Terceira Lei de Newton 
A Terceira lei de Newton, ou Princípio da Ação e Reação, diz que a força 
representa a interação física entre dois corpos distintos ou partes distintas de 
um corpo. Se um corpo A exerce uma força em um corpo B, o corpo B 
simultaneamente exerce uma força de mesma magnitude no corpo A— ambas 
as forças possuindo mesma direção, contudo sentidos contrários. Como 
mostrado no esquema ao lado, as forças que os esquiadores fazem um no 
outro são iguais em magnitude, mas agem em sentidos opostos. Repare que, 
embora as forças sejam iguais, as acelerações e ambos não o são 
necessariamente: quanto menor a massa do esquiador maior será sua 
aceleração. As duas forças na terceira lei de Newton têm sempre a mesma 
natureza. A exemplo, se a rua exerce uma força ação para frente no pneu de 
um carro acelerando em virtude do atrito entre este pneu e o solo, então 
também é uma força de atrito a força reação que empurra o asfalto para trás. 
De forma simples: a força é a expressão física da interação entre dois entes 
físicos: há sempre um par de forças a agir em um par de objetos, e não há 
força solitária sem a sua contra-parte. As forças na natureza aparecem sempre 
aos pares e cada par é conhecido como uma par ação - reação. 
Aplicando a terceira lei de Newton encontramos a reação Normal. Em física, 
força normal é uma força de reação que a superfície faz em um corpo que 
esteja em contato com esta, essa força é normal à superfície. É utilizada para 
calcular a força de atrito Lembrando que a força normal é igual, EM MÓDULO, 
a força peso no caso de planos paralelos e coincidentes, mas não constituem 
um par de ação e reação. A força peso é uma força de campo, enquanto a 
força normal é uma força de contato. Para constituírem um par de ação e 
reação, ambas deveriam ser forças do mesmo tipo. Quando se pressiona uma 
campainha há a força normal do seu dedo contra a campainha, ao mesmo 
tempo que existe a reação (Terceira lei de Newton): a campainha faz força 
contra o seu dedo. É a força de superfície contra superfície. A força normal 
existe sempre que há contato entre o corpo e a superfície de apoio, 
independentemente de essa superfície ser ou não horizontal. A direção da 
força é sempre perpendicular à superfície de apoio. 
 
Conclusão 
Concluímos que os motores a vapor são máquinas que transformam energia 
térmica do vapor em energia mecânica utilizando um sistema de 
aproveitamento deste vapor através de transmissão por polias, correias, 
pistões e engrenagens em movimento de rotação. O combustível é gerado por 
um sistema de resistência elétrica numa caldeira onde o calor da combustão é 
utilizado para produzir o vapor d’água, este vapor gerado é acumulado sobre 
pressão em um reservatório sendo liberado pela válvula de saída e direcionado 
a roda propulsora onde irá converter a energia potencia de vapor em energia 
mecânica de rotação movimentando o carro. 
 
Bibliografia 
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