Pré-Projeto de Máquina a Vapor

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FACULDADE BRASILEIRA 
Credenciada pela Portaria/MEC N
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 259 de 11.02.1999 – D.O.U. de 17.02.1999 
 
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BARCO A VAPOR 
 
 
JUNIOR, Gilmar Martins Correa1 
OLIVEIRA, Gladson Antunes2 
LIMA, Morgana Godoi3 
RODRIGUES, Rodrigo Altoé4 
FERRARI, Thiago Toscano5 
SARDINHA, Farley Correia6 
farley.sardinha@univix.edu.br 
 
 
RESUMO 
 
Este trabalho de pesquisa sobre barco a vapor visa atender a disciplina 
Termodinâmica II, ministrada no 6º período do curso de graduação em Engenharia 
Mecânica da Faculdade Brasileira - Multivix, O projeto de pesquisa contempla nosso 
experimento de um barco a vapor que reproduzirá uma embarcação movimentada 
por um motor a vapor que impulsiona rodas de água, um conjunto de pás móveis e 
montadas inicialmente na lateral, ou ainda na popa de uma embarcação em um 
projeto original. São tipicamente caracterizados por possuírem grandes chaminés 
com queima de carvão mineral visando transformar energia térmica em energia 
mecânica, compondo assim uma máquina térmica[2]. Este projeto é baseado em um 
protótipo que visa demonstrar os conceitos da Termodinâmica em escala menor que 
projetos originais de máquinas a vapor, mas com seu principal conceito, o de 
demonstrar uma máquina a térmica, sendo esta a vapor que ilustrará as leis da 
termodinâmica. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Máquinas Térmicas, Barco a vapor, Leis da Termodinâmica. 
 
 
 
 
 
_____________________________________________________ 
1 Acadêmico (a) – Faculdade Brasileira - Multivix. – (14101770) 
2. Acadêmico (a) – Faculdade Brasileira - Multivix. – (13200455) 
3. Acadêmico (a) – Faculdade Brasileira - Multivix. – (14200633) 
4. Acadêmico (a) – Faculdade Brasileira - Multivix. – (14101632) 
5. Acadêmico (a) – Faculdade Brasileira - Multivix. – (13200561) 
6. Docente orientador – Faculdade Brasileira - Multivix Curso de Engenharia Mecânica. 
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1. INTRODUÇÃO 
 
Este projeto de pesquisa consiste em demonstrar conceitos da termodinâmica 
através de um experimento que trata de uma máquina térmica, o barco a vapor. 
Essa pesquisa se baseou na obra literária referência em nossa disciplina de 
Termodinâmica II [1] e em artigos e vídeos de experimentos disponíveis na internet. 
Este estudo ressalta a importância da criação da máquina a vapor para humanidade, 
que com esta descoberta deu um salto nos setores de transportes aquaviário e 
terrestre. Será abordada a seguir, a metodologia de nosso projeto e 
desenvolvimento de nosso protótipo, que remontará a história do surgimento da 
máquina térmica, mais especificamente o barco a vapor. 
 
1.1 MÁQUINAS A VAPOR 
 
As máquinas a vapor surgiram no final do século XVII e início do século XIX. Alguns 
pesquisadores remontam ao início do século XIX o sucesso da criação da primeira 
embarcação que obteve sucesso comercial com a invenção por parte de Bolton e 
Watt, em setembro de 1803, de acordo com histórico na referência a referência 
abaixo: 
 
 
A criação do barco a vapor dificilmente pode ser creditada a um inventor particular, 
pois a adaptação do motor a vapor para propulsão de embarcações foi tentada por 
vários projetistas, tanto na Europa quanto na América. Às vezes, essa honra é 
atribuída a Henry Bell, projetista do Comet, um vapor propelido a rodas que 
transportou passageiros no rio Clyde, na Escócia, em 1812. Antes disso, porém, 
várias tentativas haviam sido feitas e diversas patentes registradas. 
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Algumas sugestões antigas não passavam de vôos da imaginação, mas já no 
final do século XVII o inventor francês Denis Papin esboçou planos para um 
barco a vapor com rodas de pás giratórias, acionadas por um simples motor a 
vapor. Em 1712, Newcomen projetou o motor a vapor que passaria a ser conhecido 
por seu nome, mas o invento não foi imediatamente adaptado para propelir barcos, 
pois seu grande peso e baixa potência constituíam um problema cuja resolução era 
muito difícil. Assim, em 1736, Jonathan Hull patenteou um rebocador movido por um 
motor de Newcomen e, embora esse barco nunca tenha sido construído, o projeto 
sobreviveu. 
A partir de meados do século XVIII, surgiram várias idéias e patentes, que abrangiam 
não apenas a fonte de energia, mas também o método de propulsão - remos 
individuais, rodas de água, hélices e mesmo jatos de água. O primeiro êxito real 
ocorreu em 1783, quando o Pyroscaphe, um vapor equipado com rodas, navegou 
durante 15 minutos contra a corrente do rio Saône, na França. Seu projetista, o 
marquês De Jouffroy d'Abbans, havia construído anteriormente, sem sucesso, um 
barco propelido por um motor de Newcomen de dois cilindros. O Pyroscaphe 
apresentava projeto mais aperfeiçoado, possuindo um simples cilindro horizontal 
acionado por um pistão. 
 
Nos anos seguintes, inventores de diferentes partes do mundo apresentaram 
soluções diversas para o problema do mecanismo de propulsão. Na América, John 
Fitch construiu uma embarcação cujo motor a vapor aciona doze remos montados 
verticalmente, seis de cada lado. Esse mecanismo testado no rio Delaware em 1786, 
permitia uma velocidade de 5 km/h. 
Em 1787 outro inventor de origem americana, James Rumsey, projetou um barco 
propelido por jatos de água bombeados da popa. Também esse modelo funcionou, 
mas obteve pouca aceitação. 
Em 1801, William Symington, projetou o Charlotte Dundas, rebocador com uma única 
roda de pá colocada na popa, propulsionada por um motor de Watt de dupla ação. 
Essa embarcação, que em março de 1803 rebocou duas barcaças carregadas ao 
longo de 31,4 km de um canal, tem sido freqüentemente apontada como o primeiro 
barco a vapor realmente bem sucedido. 
O sucesso comercial do barco a vapor viria finalmente no mesmo ano, com o projeto 
do americano Robert Fulton. De volta aos Estados Unidos, depois de haver 
construído um barco experimental na França, Fulton projetou o Clermont, com rodas 
de água laterais propelidas por um motor de Boulton e Watt. Em setembro de 1803, o 
Clermont navegou pela primeira vez levando passageiros ao longo do rio Hudson. 
Tinha esse vapor 50 metros de comprimento. O Clermont ia de Nova Iorque a 
Albanya um pouco mais de 8 km/h. Quando, nove anos depois, o Comet fez sua 
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viagem, os navios a vapor já haviam se estabelecido como alternativas muito 
superiores aos outros tipos de embarcação. 
O desenvolvimento da navegação a vapor caracterizou-se depois disso pela 
construção de navios cada vez maiores e mais potentes. Em 1819, um barco a vela 
equipado com um motor a vapor atravessou o Atlântico.
[2]
 
Buscaremos outra referência bibliográfica com o objetivo de traçarmos um paralelo 
no histórico do barco a vapor, tratando exclusivamente da personalidade de James 
Watt. Vejamos. 
James Watt e a máquina a vapor 
 
Não é possível falar da máquina a vapor sem mencionar James Watt. Embora não 
tenha sido o inventor da máquina a vapor, pertencendo esta honra a Thomas 
Newcomen (a quem raramente é atribuído este crédito), foi Watt quem produziu 
os avanços que seriam cruciais a esta nova tecnologia. 
A história da máquina a vapor estende-se desde o século I a.C. pois foi descrito 
um motor a vapor pelo matemático grego Heron de Alexandria, denominado por 
"aeolipila”: era um motor de reação parecido com um foguete. Já nos séculos 
XVII e XVIII surgiram as primeiras turbinas a vapor seguidas do digestor de Papin e 
do primeiro motor que usava pistões. O primeiro uso prático foi a bombade água 
surgida em 1698. Em 1712 apareceu o primeiro motor a vapor com sucesso 
comercial, inventado por Thomas Newcomen. Este motor, bastante ineficiente, era 
apenas usado para bombear água. 
O matemático e engenheiro James Watt, nasceu em Greenock, Escócia, a 19 de 
Janeiro de 1736. Passou muito tempo na oficina do pai a construir modelos. Estudou 
o fabrico de instrumentos em Londres durante um ano voltando depois à Escócia, 
onde investiu no fabrico dos seus próprios instrumentos, acabando por trabalhar 
numa oficina da Universidade de Glasgow. Começou a fazer experiências com a 
máquina de vapor quatro anos após ter aberto a sua loja e conseguiu mostrar que 
80% do calor produzido é consumido para aquecer o cilindro uma vez que o vapor era 
condensado e separado num compartimento do pistão que mantém o cilindro à 
temperatura do vapor injetado. Watt desenvolveu então, em 1769, um novo tipo de 
máquina, na qual o vapor era libertado para a atmosfera através da abertura de uma 
válvula, o que evitava as desvantagens da condensação do vapor por ação de um 
jacto de água fria. A abertura e fecho da válvula de escape eram feita por um 
complexo sistema de engrenagens e veios de transmissão, comandados por um eixo 
que se movia solidariamente com o êmbolo. Para isso desenvolveram-se diversos 
mecanismos de válvulas, instalados numa caixa de distribuição que permitia que o 
vapor escapasse alternadamente por cada um dos sectores definidos pelo êmbolo no 
interior do cilindro. Dois pêndulos cônicos, constituídos por duas esferas que se 
moviam numa trajetória circular num plano horizontal, eram utilizados para acionar 
uma segunda válvula no sistema de escape da máquina, permitindo regular o fluxo de 
vapor e, portanto, a velocidade da máquina. Este mecanismo é conhecido por 
regulador de Watt, em homenagem ao seu inventor. O motor de Watt usava 75% 
menos carvão que o motor original de Newcomen. 
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Apesar de o seu projeto ser potencialmente viável, havia ainda dificuldades 
consideráveis na construção de um motor de grande escala pois tal requeria muito 
capital. Permitiu então que Matthew Boulton, dono da The FoundrySoho, que 
trabalhava perto de Birmingham, adquirisse os seus direitos de patente. À medida 
que se avançava no século XVIII a demanda por altas pressões aumentou, sendo 
fortemente reprimida por Watt que usou o monopólio que a sua patente lhe conferia 
para evitar que outros construíssem máquinas de alta pressão e as aplicassem a 
novos veículos. A grande diferença entre as máquinas de baixa pressão e as de alta 
pressão era a fonte da força que move o pistão. Nas máquinas de Newcomen e de 
Watt a condensação do vapor é que mais contribui para a diferença de pressão sendo 
usadas a pressão atmosférica ou a baixa pressão do vapor para empurrar o pistão 
respectivamente. Ao longo do referido século houve vários projetos para aplicar a 
máquina a vapor a barcos e a outros veículos, sendo um dos mais promissores o de 
Nicolas-Joseph Cugnot, que fez uma demonstração do seu vagão a vapor em 1769. 
Embora a pressão utilizada para este veículo seja desconhecida, o pequeno tamanho 
da caldeira não produzia uma taxa suficiente de vapor para fazer o veículo avançar 
mais do que algumas centenas de metros antes de ter que parar para aumentar o 
vapor. Foram propostos outros modelos e projetos, mas eles foram continuamente 
bloqueados por Watt. No entanto, o poder de Watt não chegava aos Estados Unidos 
da América, onde, em 1788, John Fitch construiu um barco a vapor que operava 
regularmente no rio Delaware carregando um máximo de 30 passageiros. 
 
Watt aposentou-se em 1800, no mesmo ano que a sua patente e a parceria com 
Boulton expiraram. 
Marco Gui Alves Pinto 
[3]
 
Esta outra fonte remonta a antiguidade, na Grécia, os primeiros rascunhos da 
máquina a vapor, mas que as bibliografias convergem para a mesma tese de ter 
sido elaborada as primeiras máquinas térmicas desenvolvidas comercialmente no 
século XVII. Mediante o conceito estabelecido por parte do histórico traçado, vemos 
como mesma importância tratarmos dos conceitos da física envolvidos nas 
máquinas a vapor, ao qual trataremos no tópico seguinte. 
 
1.2 CONCEITOS DA FÍSICA 
 
Termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado e o 
trabalho realizado. Para tal análise, utilizam-se os parâmetros de temperatura, 
pressão e volume. Neste trabalho iremos demonstrar por meio de nosso protótipo 
este conceito. 
 
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Demonstraremos que uma máquina a vapor tem como propósito, transformar 
energia térmica em mecânica. Este trabalho tem como objetivo apresentar um 
experimento físico sobre máquinas a vapor e sua importância histórica. 
 
O trabalho tem como finalidade aplicar os conhecimentos teóricos sobre máquinas 
térmicas na prática. Para isto, será desenvolvido um experimento físico sobre o 
assunto, nos quais serão apresentados nos tópicos a posteriori. Antes de iniciarmos 
o experimento, vejamos alguns conceitos. 
Como funciona uma máquina à vapor 
Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia 
calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e 
movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho. Uma máquina à vapor 
possui uma fornalha, na qual se queima carvão, óleo, madeira ou algum outro 
combustível para produzir energia calorífica. Em uma usina atômica um reator 
funciona como uma fornalha e a desintegração dos átomos gera o calor. Uma 
máquina à vapor dispõe de uma caldeira. O calor proveniente da queima de 
combustível leva a água a transformar-se, e ocupa um espaço muitas vezes maior 
que o ocupado pela água. 
 
Essa energia de expansão pode ser aproveitada de duas formas: (1) deslocando um 
êmbolo num movimento vaivém ou (2) acionando uma turbina. 
Maquina a vapor de êmbolo 
As máquinas à vapor desse tipo possuem êmbolos que deslizam com um movimento 
vaivém no interior do cilindro. Vários sistemas de válvulas permitem a admissão do 
vapor no cilindro e a conseqüente impulsão do êmbolo, primeiro em um sentido e 
depois em outro, antes de deixar escapar o vapor já usado. Estas máquinas são 
geralmente denominadas máquinas de movimento alternado, ou alternativo, por 
causa do movimento vaivém, ou alternado de seus êmbolos. Os martelos à vapor 
utilizados para cravar estacas e os empregados para forjar metais requerem este tipo 
de movimento. Uma locomotiva, entretanto, necessita de um movimento giratório para 
acionar suas rodas. Esse movimento giratório é obtido ligando-se um virabrequim às 
extremidades do êmbolo. Em alguns tipos de máquinas à vapor de movimento 
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alternado, denominado máquina compound, ou de sistema, o vapor flui através de 
quatro cilindros de diâmetro e opera quatro êmbolos. [4] 
Estabelecido o conceito físico da máquina a vapor que visa transformar energia 
térmica em energia mecânica, iremos demonstrar agora o procedimento 
experimental para demonstrarmos na prática os conceitos teóricos que estudamos. 
Passemos, porquanto, ao item de nosso experimento. 
 
2. METODOLOGIA 
 
Nossa metodologia consiste no projeto e elaboração de um protótipo de barco a 
vapor, buscando na literatura e em artigos na internet o referencial teórico e suas 
aplicações conceituais dentro da Termodinâmica, revisando sua importância no 
cenárioem que foram inseridas. 
 
3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 
 
3.1. OBJETIVO GERAL 
 
Construir um protótipo de barco a vapor. 
 
3.2. MATERIAIS 
 
 01 Lata de alumínio de refrigerante 
(350 ml) ou energético (355 ml); 
 01 Estilete; 
 01 Tesoura; 
 01 Alicate Universal; 
 01 Régua; 
 01 Caneta (Marcador Permanente); 
 01 Cola epóxi; 
 02 Canudos; 
 01 Caixa de suco ou chá (1L); 
 01 Pistola de cola quente; 
 01 Refil de cola quente; 
 01 Copo com água (300ml); 
 01 Vela normal ou estilo rechaud; 
 01 Fósforo ou isqueiro; 
 01 Bacia com água (5L). 
 
 
 
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3.3 PROCEDIMENTOS 
 
Passo 1 
Será feito um furo com estilete nas 
extremidades da lata, e depois um 
recorte com a tesoura nas duas bordas 
da mesma. 
Passo 2 
A parte recortada será transformada em 
uma chapa que logo após, será utilizado 
o alicate para deixá-la com aspecto 
uniforme (liso). 
 
 
Passo 3 
Será medido 10 cm de comprimento e depois serão cortadas as margens. 
 
 
Passo 4 
Será feito um risco no meio da chapa e depois a dobradura das extremidades para o 
meio. 
 
 
 
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Passo 5 
O alicate será usado novamente sob toda a face da chapa a fim de deixá-la lisa. 
Uma das pontas da chapa será dobrada. 
 
 
Passo 6 
A cola epóxi será utilizada nos canudos e em toda abertura interna da borda onde os 
mesmos serão posicionados. Os canudos já com a cola serão inseridos na outra 
ponta da chapa que não foi dobrada. 
 
 
Passo 7 
As laterais serão dobradas. 
Passo 8 
A cola epóxi será espalhada em volta de 
todas as aberturas a fim de vedá-las. 
Após todo este processo a câmera de 
aquecimento estará pronta. 
 
 
Passo 9 
Para fabricação do barco, será feito o recorte de uma área retangular de 25 cm x 10 
cm (comprimento x largura). Em seguida, este recorte será dobradoao meio. 
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Passo 10 
O recorte será aberto e dobrado 
novamente dos dois lados da 
extremidade para o meio. 
Passo 11 
As pontas serão dobradas. 
 
 
Passo 12 
As pontas dobradas serão recortadas e dobradas novamente. 
 
 
Passo 13 
As pontas dobradas serão abertaspara 
que a cola quente seja passada. 
Passo 14 
Depois de colado, o barco será virado 
deixando o lado laminada na parte 
interna. 
 
 
 
 
 
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Passo 15 
A câmera de aquecimento passará pelo 
teste de vedamento, onde o seu conjunto 
será inserido dentro de um copo com 
água. 
Para realização do teste, os canudos 
serão soprados para verificação de 
surgimento de bolhas no copo. Se surgir 
alguma bolha dentro do copo com água, 
a cola epóxi será passada novamente 
em todas aberturas da chapa, a fim de 
vedá-lo totalmente. 
Passo 16 
Para o encaixe da câmera de 
aquecimento será feito um furo com o 
estilete no meio do barco. 
 
 
Passo 17 
A câmera de aquecimento será 
encaixada no barco e vedada com cola 
quente. 
Passo 18 
Os canudos da terão um pedaço cortado 
e serão coladosno fundo do barco. 
 
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Passo 19 
O filete da lata de alumínio que sobroudo início da experiência será transformado em 
um círculo. Depois de pronto, o mesmo será colado atrás da câmera de 
aquecimento. 
 
 
Passo 20 
Para iniciar a experiência, a vela será colada no círculo e a bacia será preenchida 
com água a temperatura ambiente. Depois, os canudos da câmera de aquecimento 
serão preenchidos com água, com objetivo de garantir que a água se espalhe bem 
pela chapa de alumínio. Antes de colocar o barco na bacia, os canudos serão 
vedados com os dedos até que os mesmos estejam submerso na água. 
 
 
Passo 21 
O barco a vapor estará pronto para ser 
testado. A vela será acesa e a 
experiência iniciada. 
Passo 22 
Será esperado que o barco a vapor se 
desloque. 
 
 
 
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4. RESULTADOS ESPERADOS 
 
A expectativa acerca do experimento é que a energia proveniente da queima da vela 
aqueça a água na câmera de aquecimento, que ao se tornar vapor aumentará a 
pressão interna. Como a pressão interna ficará maior que a externa a água será 
expelida para trás e, obedecendo a 3ª Lei de Newton, o barco será impulsionado 
para frente. 
 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
[1] MORAN, M.; SHAPIRO, H.; BOETTNER, D.; BAILY, M. Princípios de 
Termodinâmica para Engenharia. 7. ed. LTC Editora 2013. 
 
[2] http://pt.wikipedia.org/wiki/Barco_a_vapor, consultado dia 30/09/2014. 
 
[3] http://www.geocities.ws/saladefisica7/funciona/barcovapor.html, consultado dia 
01/10/14. 
 
[4]http://historiadafisicauc.blogspot.com.br/2011/06/james-watt-e-maquina-
vapor.html, consultado dia 01/10/2014. 
 
[5]http://www.adorofisica.com.br/trabalhos/fis/equipes/maquinasavapor/maquinavapo
r.htm, consultado dia 01/10/2014. 
 
[6] http://www.youtube.com/watch?v=KKK39hnCiGg, consultado dia 15/09/2014. 
 
[7] http://www.youtube.com/watch?v=jcrp35l8ioY, consultado dia 20/09/2014.