EXPERIMENTO_MAQUINA_TERMICA_A_VAPOR

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MAURICIO DE FREITAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MÁQUINA TÉRMICA A VAPOR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VOTORANTIM 
 2015 
 
RESUMO 
 
O tema deste trabalho é a aplicação dos conceitos de termodinâmica na cons-
trução de uma simples máquina térmica à vapor. Este assunto é interessante para o 
estudante de engenharia mecânica, visto que os conceitos aplicados a este tipo de 
máquina possuem grande aplicação em projetos que poderão ser encontrados em 
sua vida profissional. Com a realização deste trabalho será possível ver na prática o 
conteúdo teórico exposto em sala de aula pelo professor da disciplina. Para a reali-
zação deste trabalho serão apresentadas pesquisas bibliográficas que servirão de 
embasamento teórico para a execução do experimento, o qual será a construção de 
um barquinho denominado “pop pop”, o qual se movimenta por meio de um motor 
térmico de pulso de jato d’água. O objetivo será demonstrar a transformação de 
energia térmica em energia de movimento, ou seja a realização de trabalho. 
 
Palavras-chave: vapor, termodinâmica, energia, trabalho, experimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................................ 4 
2. DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL ................................................................................................ 8 
3. CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 10 
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 11 
 
 
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1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constante-
mente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumen-
to da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecâni-
ca em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem frequentemente ao 
nosso redor. 
A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de 
uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação de energia 
térmica em energia de movimento. 
Essa 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 duas leis de caráter 
muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza. 
A primeira lei da termodinâmica, que é o princípio da conservação da energia 
aplicada a sistemas termodinâmicos. 
A segunda lei da termodinâmica, que nos mostra as limitações impostas pela na-
tureza quando se transforma calor em trabalho. 
Para entender as leis da termodinâmica, é preciso inicialmente compreender du-
as grandezas físicas importantes: o trabalho e a energia interna. 
 
O trabalho 
 
Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estan-
te. Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário deslo-
cá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um consequente 
deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho. 
Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser con-
siderado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas antigas 
maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de combustível, co-
mo o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a realização de trabalho. 
 
 
 
http://educacao.uol.com.br/historia/revolucao-industrial-evolucao-tecnologica-transforma-as-relacoes-sociais.jhtm
http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/trabalho-e-energia-os-objetos-de-estudo-da-mecanica.htm
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A primeira lei da termodinâmica 
 
A primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação de energia aplicado 
a sistemas termodinâmicos. O princípio da conservação da energia baseia-se no 
fato de que a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada. 
Ao se fornecer calor ao sistema, podemos observar a ocorrência de duas situa-
ções possíveis. Um aumento de temperatura e uma expansão do gás. O aumento de 
temperatura representa o aumento de energia interna do sistema e a expansão do 
gás representa a realização de trabalho. 
 
 
 
Pode-se concluir que o calor fornecido ao sistema foi transformado na variação 
de energia interna e na realização de trabalho. Desta conclusão, chega-se à primeira 
lei da termodinâmica, que é definida da seguinte forma: 
 
 
Transformações cíclicas 
 
Uma transformação cíclica ocorre quando o estado inicial do sistema coincide 
com o estado final. Em um diagrama de pressão por volume a curva que representa 
essa transformação é fechada, como representado na figura abaixo. 
 
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O cálculo da área dentro da curva dará o valor numérico do trabalho realizado no 
ciclo. Esses ciclos podem ser apresentados nos sentidos horário ou anti-horário. 
 
Sentido horário: 
 
Ciclo motor 
 
Sentido anti-horário: 
 
Ciclo refrigerador 
 
As transformações cíclicas são extremamente importantes para o nosso cotidia-
no, pois as máquinas térmicas que utilizamos diariamente, como o motor do auto-
móvel e a geladeira, funcionam desta maneira. 
 
Segunda Lei da Termodinâmica 
 
 Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: energia nuclear, elétri-
ca, mecânica, solar dentre outras, e é possível transformá-las integralmente em ca-
lor. Quando lixa uma mesa, através do atrito, você transforma integralmente o traba-
lho em calor com muita facilidade. 
O processo inverso, ou seja, transformar o calor em trabalho não é tão simples e 
está sujeito a certas restrições. Dessas restrições veio a segunda lei da termodinâ-
mica que pode ser enunciada da seguinte forma: 
Não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente o 
calor em trabalho. 
Em outras palavras, é impossível construir uma máquina térmica com 100% de 
eficiência. 
 
 
 
 
http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/fontes-de-energia-homem-transforma-e-usa-energias-da-natureza.htm
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Máquinas térmicas 
 
Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em traba-
lho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo 
de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como 
esquematizado na figura abaixo. 
 
 
 
É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina 
térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação: 
 
Uma imposição da segunda lei da termodinâmica é que nenhuma máquina térmi-
ca tem rendimento de 100%, por isso vale a seguinte condição: 
 
Como a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espon-
tâneo, o rendimento de uma máquina térmica é baixo. 
Será possível estimar o rendimento máximo de uma máquina térmica se souber-
mos os valores das temperaturas das fontes quente e fria. Esse rendimento foi de-
monstrado pelo engenheiro Nicolas Sadi Carnot, que 
propôs a seguinte relação: 
 
 
 
Observe que para termos um bom rendimento, é necessário que a máquina ope-
re entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa. 
 
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2. DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL 
 
Barquinho “pop pop” 
 
 
 
O barquinho “pop-pop” é um exemplo de máquina térmica e, portanto, funciona 
devido ao calor da chama de uma vela. O funcionamento dele é simples: o barqui-
nho anda porque há pequenas gotas de água dentro do compartimento de alumínio. 
Quando essas gotas esquentam, se transformam em vapor e “expulsam” a água que 
está nos canudinhos, criando uma espécie de jato. Quando o vapor está prestes a 
sair, o contato com a água gelada faz com que ele esfrie e se transforme em líquido 
novamente. Com a diminuição de temperatura, diminui também a pressão dentro do 
compartimento de alumínio,fazendo com que a água volte para lá. Aí a água es-
quenta novamente, e assim o ciclo recomeça. Dessa forma o barco move-se devido 
aos jatos de água, ou seja, “aos trancos”, daí a sua denominação pop-pop. 
 
Materiais utilizados para construção do experimento: 
 
 1 latinha de alumínio 
 2 canudinhos (que dobram a ponta) 
 1 pedaço de isopor 
 1 vela de aniversário 
 2 elásticos 
 Cola epóxi 
 Cola quente 
 
 
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Montagem: 
 
 
 Para fazer o motor, cortar a lata de refrigerante de modo que fique como uma 
folha de alumínio, tomando cuidado para não amassar a folha para que não pre-
judique o funcionamento do motor. 
 Colocar uma fita adesiva entre as duas extremidades da chapa. 
 Com o auxílio de uma régua, dobrar a chapa de alumínio. 
 Fazer um gabarito de papel e colar na chapa dobrada com fita adesiva. 
 Com o auxílio de uma caneta, fazer as marcações das dobras. 
 Utilizando a régua novamente, fazer as dobras e cortar as laterais conforme ilus-
tração. 
 Ainda com a régua, amassar as laterais de tal maneira que feche a chapa, to-
mando cuidado para não vincar demais o alumínio que pode provocar a quebra 
na dobra. Dessa maneira, formamos um “bolso” de alumínio com uma abertura e 
três laterais fechadas que será o “motor”. 
 Pegar dois canudinhos de refrigerantes flexíveis e cortar conforme ilustração. 
 Com cuidado inserir os canudinhos dentro da abertura do motor. 
 
http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/MF22_pg34_figura03a13.png
http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/MF22_pg34_figura14a21.png
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 Para fazer a forma convexa, utilizar uma garrafa de refrigerante de 2 litros colan-
do o motor com o auxílio de fitas adesivas nas laterais. 
 Preparar a cola epóxi e passar nas emendas das laterais do motor, não esque-
cendo dos cantos superiores. O importante aqui não é a quantidade, mas sim 
conseguir selar o motor. Para que a cola entre nas chapas de maneira mais efi-
ciente, fazer alguns movimentos de retirar e colocar os canudos dentro do motor. 
 Esperar secar completamente (no mínimo 2 horas). 
 Em seguida, colar os canudos no motor e selar a abertura. Feito isso, utilizar 
silicone de construção para completar a selagem do motor e deixá-lo em um ân-
gulo de 30 graus em relação aos canudinhos. 
 Passar silicone também em cima da cola epóxi, nas laterais. Depois de totalmen-
te seco, fazer o teste para ver se o motor está totalmente selado, se não, corrigir 
as falhas com silicone. 
 Para fazer o barco, utilizar uma daquelas bandejas de isopor utilizadas em su-
permercados, fazendo um corte de 40 mm x 15 mm para passagem dos canu-
dos. 
 Cortar um pedaço de papelão e, na ponta, colocar um pedaço de vela. 
 Agora, com o auxílio de um elástico, prender o motor e o suporte de vela para 
finalizar a montagem. 
 
Execução do experimento: 
 
É muito simples, basta encher o motor com água para que saia todo o ar. Aí, 
com os dedos fechar as duas saídas do motor e coloque o barco na água para que 
as saídas fiquem debaixo d’água e, só então, retirar os dedos das saídas. Com 
cuidado, acender a vela e, em menos de um minuto, o barco estará andando. Notar 
que o barco gera o famoso barulho “pop-pop”. 
 
3. CONCLUSÃO 
 
Comprova-se com este experimento, que as leis da termodinâmica podem ser 
aplicadas de maneira eficaz na construção de máquinas térmicas, quando deseja-se 
transformar calor em trabalho. No caso estudado, o calor do fogo da vela foi utilizado 
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para vaporizar a água e esse vapor foi utilizado para realizar trabalho mecânico, mo-
vimentando assim o barquinho. 
 
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
<http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/termodinamica-1-calor-trabalho-e-
rendimento.htm>, 14 Set. 2015. 
<http://www.manualdomundo.com.br/2012/04/como-fazer-um-barco-a-vapor-
barquinho-pop-pop/>, 14 Set. 2015. 
<http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=epc&cod=_obarquinhopop-
pop>, 14 Set. 2015. 
<http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1793-montando-barcos-pop-pop>, 
14 Set. 2015. 
http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/termodinamica-1-calor-trabalho-e-rendimento.htm
http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/termodinamica-1-calor-trabalho-e-rendimento.htm
http://www.manualdomundo.com.br/2012/04/como-fazer-um-barco-a-vapor-barquinho-pop-pop/
http://www.manualdomundo.com.br/2012/04/como-fazer-um-barco-a-vapor-barquinho-pop-pop/
http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=epc&cod=_obarquinhopop-pop
http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=epc&cod=_obarquinhopop-pop
http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1793-montando-barcos-pop-pop