Aplicações da Termodinâmica na Construção Civil

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Aplicações da Termodinâmica na Construção Civil
O que é Termodinâmica?
A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda os efeitos das variações de pressão, volume e temperatura nos sistemas físico-químicos. Entende-se como um campo que envolve o estudo da relação entre calor e movimento (“termo-dinâmica”).
Esta ciência teve impulso especialmente durante a Revolução Industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas. Os trabalhos dos cientistas da época levaram-nos a quatro leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza.
No primeiro século depois de Cristo, Heron de Alexandria construiu o que hoje se acredita ter sido o primeiro dispositivo a vapor capaz de produzir trabalho.
Era uma esfera que girava por conta do torque gerado por duas saídas de vapor colocadas em posições diametralmente opostas:
Quem ajudou a criar e aperfeiçoar a Termodinâmica Otto von Guericke (Físico Alemão), projetou e construiu em 1650 a primeira máquina que provava os princípios da da pneumática, realizou experiências com a pressão pneumática e com o vácuo.
Em 1656, Robert Boyle em coordenação com o cientista Robert Hooke, construiu uma bomba de ar baseado nestes conceitos.
Quem ajudou a criar e aperfeiçoar a Termodinâmica Em 1679, um conhecido e Boyle chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (“Marmita de Papin”).
Somente em 1697, a primeira máquina foi construída por Thomas Savery , que além
de bruta e ineficiente, causava explosões e acidentes.
Quem ajudou a criar e aperfeiçoar a Termodinâmica
Nicholas Leonard Sadi Carnot, Engenheiro Francês formado pela Escola Politénica de Paris (considerado o “Pai da Termodinâmica“), lançou a Obra “ Reflexões sobre Potência Motriz do Fogo e Máquinas Próprias para Aumentar essa Potência”, que demonstrava a revisão das importâncias industriais, políticas e econômicas da máquina a vapor, marcando o início da Termodinâmica como Ciência Moderna, impulsionando o desinvolvimento da Revolução Industrial (ilustração acima).
Em 1832, morre subitamente de Cólera com 36 anos e apesar de quase todas suas coisas terem sido incineradas (como era de costume da época), parte de suas anotações escaparam à destruição, mas somente a Obra acima citada foi lançada publicamente.
Lei Zero da termodinâmica
O equilíbrio térmico entre corpos materiais só é atingido quando os mesmos se encontram na mesma temperatura. Dessa definição pode ser concluída a Lei Zero da Termodinâmica:
Se três sistemas apresentam-se isolados de qualquer outro universo externo, e, dois sistemas consecutivos estiverem em equilíbrio térmico com o terceiro, então os dois sistemas consecutivos estarão em equilíbrio térmico entre si.
Um sistema termodinâmico encontra-se aberto quando consegue trocar matéria (massa) e energia (calor e trabalho) com o meio; encontra-se fechado quando apenas pode trocar energia, uma vez que o trânsito de matéria é impedido por alguma obstrução; e, por fim, um sistema Termodinâmico é isolado quando não troca matéria e nem energia com o meio.
Primeira Lei da termodinâmica
É o princípio da conservação da energia aplicada a sistemas termodinâmicos, ou seja, a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada.
Durante a década de 1790, vários físicos entre os quais se encontravam Joule, Helmholtz e Meyer, foram desenvolvendo esta lei.
No entanto, quem escreveram os primeiros enunciados formais foram primeiro Clausius em 1790 e Thomson (Lord Kelvin) um ano depois.
Primeira Lei da termodinâmica
Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:
1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);
2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.
ΔU =Q - W
Assim temos enunciada a primeira lei da Termodinâmica: “a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho W por ele realizado durante uma transformação”.
Primeira Lei da termodinâmica
Aplicando a lei de conservação da energia, temos:
ΔU= Q – W à Q = ΔU + W
Onde:
* Q à Quantidade de calor trocado com o meio: Q > 0 o sistema recebe calor; Q < 0 o sistema perde calor.
* ΔU à Variação da energia interna do gás: ΔU > 0 a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta; ΔU < 0 a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.
* W à Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho: W > 0 o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta; W < 0 o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.
Segunda Lei da Termodinâmica
Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: nuclear, elétrica, mecânica, solar entre outras.
A segunda lei da termodinâmica envolve o funcionamento das máquinas térmicas, ou seja, situações em que o calor é transformado em outras formas de energia.
Segunda Lei da Termodinâmica
A outra situação que não ocorre é a transformação integral de calor em trabalho.
As máquinas térmicas trabalham utilizando duas fontes de temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviada a fonte fria. Não é possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho.
Foram essas duas situações também chamadas de “proibições” que deram origem a segunda lei da termodinâmica:
O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio, o inverso só ocorre com a realização de trabalho e nenhuma máquina térmica que opera em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transforma-lo integralmente em trabalho.
Fazendo uma comparação entre a primeira e a segunda lei da termodinâmica, podemos dizer que enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.
Segunda Lei da Termodinâmica
Então, para se conseguir um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e outra muito baixa.
O Segundo Princípio da Termodinâmica, elaborado em 1824 por Sadi Carnot, explica perfeitamente esta ligação de acordo com o enunciado abaixo:
“Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada)"
Um bom exemplo é o sistema de funcionamento dos Motores a Combustão, baseado nas antigas máquinas a vapor. Composto por 2 partes principais (o carburador e o cilindro) foi muito utilizado nos motores de muitas máquinas e automóveis, mas foi substituído pela injeção eletrônica, que trabalha com mais eficiência ao misturar oxigênio e gasolina.
Nos próximos slides, veremos como é o funcionamento destes equipamentos, que podem ser resumidos em quatro etapas e por isso que são chamados de motores de quatro tempos.
Segunda Lei da Termodinâmica
O Motor a combustão é uma máquina térmica que transforma energia química (combustível + ar) em térmica (calor e expansão dos gases), que na sequência se transforma em energia mecânica (move os pistões, virabrequim e rodas).
Segunda Lei da Termodinâmica
Os motores de combustão interna são uma das principais tecnologias derivadas dos estudos da termodinâmica. Mas como são poluentes, futuramente podem ceder seus lugares para os carros elétricos ou com outras fontes de propulsão.
Abaixo segue a ilustração de um motor completo, ainda muito utilizado nos dias de hoje:
Terceira Lei da Termodinâmica
Dois grandes nomes da Física, WaltherNernst e Max Planck estabeleceram distintamente dois princípios que tentam estabelecer a terceira lei da Termodinâmica, idealizando sistemas cuja entropia tende a um valor mínimo, ou mesmo zero.
Seu enunciado diz que, quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, cessam todos os processos, e a entropia assume um valor mínimo.
Abaixo, segue uma foto do Equipamento utilizado em Laboratório para comprovar esta Lei:
As primeiras Máquinas
A Revolução Industrial, que ocorreu durante o século XVIII e que mudou o panorama socioeconômico do mundo, só foi possível com o estabelecimento dos alicerces da termodinâmica, especificamente com o desenvolvimento da máquina a vapor de James Watt, que possibilitou o avanço da indústria de escala e revolucionou os meios de transporte, pois logo foram construídas Ferrovias para as Locomotivas a Vapor, que mais tarde passaram a conviver com os automóveis, já no início do século XX.
O diagrama abaixo mostra o princípio de funcionamento de uma máquina movida a vapor:
Outras Máquinas e Sistemas…
Podemos citar os mais conhecidos, como:
Refrigeradores
Garrafa Térmica
Equipamentos de Ar Condicionado
Usinas Termoelétricas
E quanto à divisão de Isolantes Térmicos utilizados em:
Motores de automóveis;
Turbinas de aviões;
Revestimentos térmicos;
Garrafas Térmicas;
Foguetes;
e outros dispositivos funcionam a partir de aplicações do campo da mecânica e da termodinâmica.
Termodinâmica na construção Civil
Todos os equipamentos utilizados durante a execução da Obra que possuem Motores e Sistema Elétrico integrados, como:
Bombas de Drenagem,
Bombas de Recalque,
Sistemas de Pressurização que interliga Sistemas de Aquecimento (Elétricos e Solares);
Compressores;
Compactadores;
Geradores (utilizados antes e depois da Obra, com a residência já habitada);
Furadeiras de Alto Impacto;
Máquinas p/movimentação de terra (Retro Escavadeiras, Marteletes Pneumáticos, Rolos Compactadores, etc.
Termodinâmica na construção Civil
Hoje são utilizados vários tipos de Isolantes Térmicos e Sistemas de Aquecimento e Resfriamento como por exemplo:
Sistema de Aquecimento p/Piso (ou Piso Térmico), muito utilizado em locais com Revestistos c/Mármore, Granito, Madeira, Porcelanatos, etc.:
Termodinâmica na construção Civil
Sistema de Aquecimento Solar tanto via painéis Fotovoltaícos como o Sistema Tradicional de Placas Solares:
Termodinâmica na construção Civil
Hoje são utilizados vários tipos de Isolantes Térmicos e Sistemas de Aquecimento e Resfriamento como por exemplo:
Mantas de Isolamento Térmico e Acústico – comercializados hoje em dia pela Alwitra (foto a baixo) e Goodyear;
Termodinâmica na construção Civil
Desembaçadores de Espelhos
Existem em desenvolvimento diversos outros equipamentos e sistemas criados de acordo com os princípios e leis da Termodinâmica, mas são tão inovadores que é melhor aguardarmos os resultados dos testes para divulgarmos com mais coerência.
Então…
Termodinâmica na construção Civil
... agradecemos a atenção, compreensão e paciência de todos e esperamos que tenham apreciado a apresentação!
Fim