Máquinas Térmicas cap 17 física experimental II

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS 
DEPARTAMENTO DE FÍSICA 
 
LABORATÓRIO DE FÍSICA II 
 
 
Experimento 17 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
 
 
 
Alunos: Amanda Bettini Esteves R.A: 103573 
Helton Messias Adigneri RA: 39869 
Laura Redondo Zanuto R.A: 103327 
Luana Santana Holsbach Dal’Olio R.A:102343 
 
 
 
Turma: 37 – Engenharia de Produção (Construção Civil) 
Professor: Luiz Gustavo 
 
 
 
 
MARINGÁ - PARANÁ 
08/12/2017 
Objetivos 
Esse experimento teve como objetivo mostrar o funcionamento da máquina térmica, demonstrar 
a possibilidade de converter calor em trabalho, verificar a 2ª Lei da Termodinâmica para processos 
reversíveis além de obter o rendimento da máquina térmica e o rendimento de Carnot. 
Introdução 
 O estudo de máquinas térmicas está contextualizado dentro da termodinâmica (obedece a 
primeira lei da termodinâmica), sendo uma aplicação da segunda lei da termodinâmica. 
Uma máquina térmica é um sistema termodinâmico com funcionamento entre dois reservatórios 
com temperaturas diferentes. Esse sistema retira calor do reservatório que possui maior 
temperatura (𝑇𝑞 ), realiza trabalho e rejeita o restante do calor para o recipiente de menor 
temperatura (𝑇𝑓 ), operando em ciclos (Figura 1). 
 
 Figura 1 – Desenho esquemático do funcionamento de uma máquina térmica, sendo 𝑄1 e 𝑄2 o 
calor dos reservatórios de maior temperatura e menor temperatura, respectivamente, e ꞇ o 
trabalho realizado pela máquina térmica. 
 
 O rendimento de uma máquina térmica é dado por: 
 
 
 
O principal conceito envolvido é a segunda lei da termodinâmica, a qual diz que é impossível 
transformar completamente o calor em trabalho sem que ocorra outra mudança. 
O rendimento dado pelo Ciclo de Carnot (limite teórico de uma máquina térmica) é dado por: 
 
 
O engenheiro francês Nicolas Carnot propôs que nenhuma máquina térmica trabalhando entre 
dois reservatórios pode ser mais eficiente que uma máquina reversível trabalhando entre 
reservatórios. Sendo as máquinas reversíveis aquelas que não apresentam forças dissipativas, que 
a transferência de calor se dá apenas entre corpos com diferença infinitesimal de temperatura e 
que o processo seja praticamente estático. 
 
Dispositivo Peltier: 
 
O dispositivo Peltier é um conversor termoelétrico que será utilizado para o estudo do rendimento 
de uma máquina térmica. Este dispositivo é constituído de uma junção de metais diferentes que , 
quando circula corrente elétrica através dessa junção, há uma liberação de calor e, quando o 
sentido da corrente elétrica é invertido, ocorre a absorção de calor. Contudo, o efeito inverso 
também ocorre, ou seja, quando os dois lados do dispositivo possuem temperaturas diferentes, 
surge uma corrente elétrica através da junção de metais. Este efeito oposto é chamado efeito 
Seebeck. 
O efeito Seebeck será utilizado para simular uma máquina térmica;um lado do dispositivo será 
mantido a uma baixa temperatura (constante) por meio do bombeamento de água gelada, e o outro 
lado, a alta temperatura (constante) será mantida através de um resistor no seu interior conectado 
a uma fonte de tensão DP e as temperaturas serão medidas com termopares conectados ao 
dispositivo. O dispositivo Peltier extrai calor da fonte quente (resistência elétrica), realiza trabalho 
(por meio da queda de tensão em um resistor de carga) e transfere calor para a fonte fria (água 
com gelo). 
Quando usado como refrigerador, o calor é transferido da fonte fria para a fonte quente (Figura 
2). 
 
Figura 2 – Imagem esquemática de um refrigerador. 
 
Máquina Térmica via Dispositivo de Peltier: 
O rendimento no Dispositivo de Peltier é dado por: 
 
Sendo: a potência elétrica dissipada no resistor de carga e a potência 
elétrica fornecida pelo resistor correspondente à fonte quente. 
 
Conversões de Temperatura: 
A temperatura dos reservatórios quente e frio será dada através de um termopar presente no 
interior da máquina térmica. O valor será dado primeiramente em KΩ, depois será convertido 
para °C e posteriormente para Kelvin (K). 
Para converter de KΩ para °C será usada a tabela a seguir. 
 
Figura 3- Tabela de conversão. 
 
Caso o valor não exista na tabela, será necessário usar a seguinte equação para converter: 
 
Onde: 
 
Sendo 𝑇𝑏 o valor posterior a 𝑇𝑎 em KΩ na ordem crescente da tabela dada na Imagem 3, e T a 
temperatura que se quer saber. 
E, para converter de °C para Kelvin (K), usa-se: 
 
Desenvolvimento experimental 
Materiais Utilizados 
• Dispositivo Peltier; 
• Conectores elétricos; 
• Fonte de alimentação DC; 
• Frasco de isopor com mistura de água e gelo; 
• Dois Multímetros. 
• Gelo; 
• Água; 
• Seringa; 
 
Descrição dos Equipamentos 
 
Figura 4 – Equipamentos Utilizados 
 
A Fig. 4, ilustra a montagem do experimento. O item (a) é a máquina térmica, que possui um 
conector para uma tomada de 110V, que adiciona um motor interno responsável por circular a 
água no sistema. Também possui saia com uma mangueira por onde a água circula. Possui 
terminais próprios para conexão de multímetro. Há uma chave para seleção destinada a leitura da 
fonte fria e da fonte quente. Na máquina existe um componente chamado de dispositivo de Peltier. 
É possível também conectar um multímetro de leitura de voltagem. 
 
Montagem Experimental 
Na Fig. 4, pode-se verificar como ficará todas as conexões dos cabos a máquina térmica. A 
máquina térmica ficará conectada a três multímetros para verificação da resistência, tensão e da 
corrente, por sua vez, a máquina térmica é conectada a fonte de energia e a mangueira de 
circulação de água colocada no recipiente com água e gelo, para circulação de água gelada. 
 
Procedimento 
1. Coloque no recipiente termicamente isolado (frasco de isopor) um pouco de água (o 
suficiente para cobrir a entrada do tubo inferior), e verifique se a água está circulando, 
caso não este já, retire o tubo do frasco, encaixe a seringa na sua extremidade e retire a 
água do tubo, até que o tubo fique livre de sujeiras e a água fique circulando livremente; 
2. Acrescente gelo até a borda e tampe o recipiente; 
3. Conecte os cabos ligando os três multímetros; 
4. Conecte os cabos da fonte DC a os terminais da máquina térmica; 
5. Zere todos os botões de a juste e ligue a fonte de alimentação DC. 
6. Ajustar a voltagem para 11,0V; 
7. Espere o sistema atingir o equilíbrio tal que as temperaturas quente e fria sejam 
constantes. Isto pode levar de 5 a 10 minutos e pode depender das temperaturas iniciais. 
Para acelerar o processo, aumente a voltagem momentaneamente através do resistor de 
aquecimento e após retorne a o valor original. Se desejar esfriar o lado quente, a voltagem 
pode ser diminuída momentaneamente. Lembre-se que a resistência de termistor abaixa 
com os aumentos de temperatura. 
8. Leia os valores das “resistências de temperatura” do lado quente e o lado frio. 
9. Registre a voltagem (Vq) do resistor de aquecimento, a corrente (Iq) e a voltagem do 
resistor de carga(Vw); 
10. Abaixe a voltagem através do resistor de aquecimento de aproximadamente 2V. Valores 
sugeridos para V q+: (11,0V, 9,0V, 7,0V, 5,0V, 3,0V); 
11. Repita dos passos acima, para cinco temperaturas quentes distintas. 
 
 
 
Dados obtidos experimentalmente 
Tabela 1- Tabela dos dados experimentais. 𝑇𝑞- temperatura no reservatório quente, 𝑇𝑓 – 
temperatura no reservatório frio, 𝑉𝑞 – tensão no reservatório quente, 𝐼𝑞 – corrente no reservatório 
quente, 𝑉𝑤 – tensão de saída do trabalho realizado. 
 
𝑉𝑞(V) 𝐼𝑞(A) 𝑇𝑓(kΩ) 𝑇𝑞(kΩ) 𝑉𝑤(V)11 1,82 188 18 0,72 
9 1,44 214 36 0,55 
7 1,03 234 64 0,36 
5 0,65 255 130 0,17 
3 0,26 282 222 0,06 
 
Interpretação dos resultados 
Tabela 2- Conversão de kΩ para ℃ e de ℃ para K para os dados das temperaturas da tabela 
anterior (Tabela 1). 
𝑇𝑞(℃) 𝑇𝑞(K) 𝑇𝑓(℃) 𝑇𝑓(K) 
65 338 12 285 
48 321 9 282 
35 308 8 281 
19 292 6 279 
9 282 4 277 
 
Tabela 3- Valores calculados através dos dados das Tabelas 1 e 2. 
𝑃𝑞(W) 𝑃𝑤(W) ∆𝑇(K) Ƞ𝑟𝑒𝑎𝑙(%) Ƞ𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡(%) 
20,02 1,31 53 6,54 15,68 
12,96 0,79 39 6,09 12,14 
7,21 0,37 27 5,13 8,76 
3,25 0,11 13 3,38 4,45 
0,78 0,01 5 1,28 1,77 
 
Questões: 
- O rendimento de Carnot é o rendimento máximo possível para uma determinada diferença 
de temperatura. De acordo com o gráfico da Figura 17.5, o rendimento real é sempre menor 
que o rendimento de Carnot? 
Sim, porque o rendimento de Carnot é o rendimento máximo possível. 
- O rendimento de Carnot aumenta ou diminui como os aumentos de diferença de 
temperatura? Justifique. 
Aumenta, uma vez que utilizamos a equação de rendimento, e nela, o dividendo é a diferença 
entre a temperatura quente e a temperatura fria. Se essa diferença aumenta, o resultado (no caso, 
o rendimento) também aumenta. 
- O rendimento real aumenta ou diminui como os aumentos de diferença de temperatura? 
O rendimento real e o rendimento de Carnot aumentam com o aumento da diferença de 
temperatura, e quanto maior a diferença de temperatura, maior será a energia transmitida, gerando 
um maior trabalho e consequentemente um maior rendimento. 
 
 
 
Conclusão 
No experimento em questão demonstramos a transformação de energia térmica em trabalho 
através da máquina térmica (dispositivos de Peltier), onde concluímos que nem toda energia 
térmica de um ciclo pode ser convertida em trabalho, ou seja, haverá perdas. 
O que nos leva a concordar com o teorema de Carnot que afirma que não é possível transformar 
completamente energia térmica em trabalho sem que haja outras mudanças simultâneas. 
 
 
Referencias 
- Manual de Laboratório – Física Experimental II – Hatsumi Mukai e Paulo R. G. Fernandes – 
2017 
- Fundamentos de Física II - Gravitação, Ondas e Termodinâmica - Halliday & Resnick - 8ª 
Edição.