Relatório Máquina Térmica

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Máquina Térmica 
Amanda Razaboni, Caio Morozini, Gustavo Ramos, Rafaele Jéssica, Raphael Lopes – Turma N 
Fenômenos do Contínuo Experimental – UNIFESP 
e-mail: amanda.razaboni@unifesp.br; caiomorozini@unifesp.br; gustavo.alberto19@unifesp.br; 
rafaele.guimaraes@unifesp.br; raphael.lopes@unifesp.br. 
 
Resumo. Neste relatório é realizado o estudo das máquinas térmicas reais. Elas são capazes de 
converter calor em trabalho, e neste caso é feito em um ciclo de quatro estágios de expansão e 
compressão, além de verificar seu rendimento, já que nem todo calor é transformado em trabalho. 
 
Palavras chave: trabalho, calor, expansão, compressão. 
 
Introdução 
Historicamente, a ciência de toda a termodinâmica 
começou com uma análise, pelo grande engenheiro 
Sadi Carnot, do problema de como construir a melhor 
e mais eficiente máquina térmica. Tal experimento foi 
desenvolvido antes mesmo de se conhecer a estrutura 
da matéria, todavia Carnot observou de forma 
consistente o comportamento dos dados obtidos. 
As máquinas térmicas são dispositivos capazes de 
converter energia térmica em energia mecânica, ou 
seja, retiram energia do ambiente em forma de calor e 
realizam trabalho. Toda máquina térmica utiliza uma 
substância de trabalho de modo que tanto a energia 
interna, quanto o trabalho, dependem da quantidade 
de energia na forma de calor que foi transferida à 
substância. Para que uma máquina térmica realize 
trabalho de forma contínua, a substância de trabalho 
deve operar em um ciclo. Isso se dá pois a variação de 
energia interna é constante independente do processo 
termodinâmico porém quando estamos trabalhando 
em um processo cíclico, o sistema irá retornar ao 
ponto inicial seguindo ou não um caminho diferente e 
consequentemente resultando em uma variação 
interna igual a 0. 
A quantidade de trabalho que o sistema realizará 
se dará pela área abaixo da curva no gráfico Pressão x 
Volume ou PV. É interessante notar que se estamos 
trabalhando com um processo em que damos há troca 
de calor e realização de trabalho, em algum momento 
teremos um saldo positivo ou negativo dependendo da 
área que os processos geram. 
Carnot, ao analisar o rendimento da máquina 
térmica mais eficiente, ou seja, a conversão de energia 
térmica em trabalho mecânico seria máxima. O ciclo 
de carnot apresenta quatro etapas sendo elas duas em 
que não há troca de calor e duas em que a temperatura 
não varia de forma que ambas as transformações 
fossem muito rápidas obtendo a seguinte relação: 
 
Rendimento = 1 - Qq / Qf 
 
Onde Qq é o calor quente absorvido e Qf o calor 
frio resultante da transferência de calor convertido em 
trabalho mecânico ou dissipado. Calculando o 
rendimento para qualquer valor de Qq e Qf diferente 
de 0, o mesmo sempre resulta em um valor abaixo de 
100%. 
Quando trabalhamos com máquinas térmicas 
devemos levar em consideração seu rendimento, visto 
que as melhores máquinas atingem um rendimento de 
abaixo de 50%. 
Procedimento Experimental 
Nesse experimento, utilizou-se uma máquina 
térmica (pistão) em conjunto com 2 sensores, sendo 
um pressão e outro de rotação, 2 massas de 
aproximadamente 50g, um cilindro de alumínio e 
água em diferentes temperaturas. 
A fim de gerar o gráfico Pressão x Volume, 
posicionou-se o êmbolo do pistão na altura de 50mm 
e a cada vez que a temperatura da água estabilizava-
se era realizado uma das etapas a seguir: 
Primeiramente, colocou-se o cilindro em água fria. 
Depois, foi adicionada uma massa sobre o pistão. 
Posteriormente, colocou-se o cilindro na água quente. 
Em seguida, foi retirada a massa do pistão. Por fim, o 
cilindro foi retornado para a água fria. 
Através de um software, nesse caso o DataStudio, 
o gráfico foi plotado e a partir da leitura das suas 
curvas, foi possível classificar o tipo de processo 
ocorrido em cada fase de transição. Além disso, 
obteve-se os valores das grandezas físicas de 
temperatura, pressão e volume em cada ponto e pode-
se realizar o cálculo do trabalho realizado pelo pistão 
e o rendimento da máquina térmica. 
Resultados 
Inicialmente, a partir do DataStudio, foi gerado 
um gráfico de pressão versus volume, e outro de 
pressão versus temperatura, exibidos na Figura 1 e na 
Figura 2, respectivamente. 
 
Fig.1 : Gráfico de pressão versus volume. 
 
 
Fig.2 : Gráfico de pressão versus temperatura. 
 
Depois, foi montada a Tabela 1 a fim de 
apresentar os dados que foram observados nos 
gráficos. 
 
Tabela 1: Observação e classificação de cada fase 
de transição. 
 
Transição Observação Classificação 
A → B Pistão abaixou, 
causando um 
aumento de 
pressão 
Isocórico e 
Isotérmico 
 
B → C Pistão subiu, 
causando um 
aumento do 
volume 
Isobárico 
 
C → D Pistão subiu, 
causando uma 
diminuição de 
pressão 
Isocórico e 
Isotérmico 
 
D → A Pistão abaixou, 
causando uma 
diminuição do 
volume 
Isobárico 
 
 
 
Além disso, os valores de temperatura, volume e 
pressão em cada ponto retirados dos gráficos foram 
expostos na Tabela 2. 
 
Tabela 2: Temperatura, volume e pressão nos 
pontos A, B, C e D. 
 
Ponto T [ᵒC] Volume [m³] Pressão 
[Pa] 
A 2,7 4,8x10-7 ±0,32x10-7 96x10-3 
± 0,5 
B 2,7 4,76x10-7 ±0,32x10-7 97x10-
3± 0,5 
C 83 5,12x10-7±0,32x10-7 97x10-
3± 0,5 
D 83 5,14x10-7±0,32x10-7 96x10-3 
± 0,5 
Em seguida, calculou-se o trabalho total (Wt) 
realizado pelo pistão através da fórmula: 
 
De forma que, 
 Wt = Wbc - Wda (área sobre a curva) 
 = 3,492x10^-6 - (- 3,264x10^-6) 
 = 6,759x10^-6 J (±24,76). 
 
Posteriormente, foi calculado o rendimento da 
máquina térmica (n) por meio da seguinte fórmula: 
 
 . 
Sabendo que, 
 
 , 
 
que o calor específico do ar a pressão constante (c) 
é de 1012 J/kg.K e que a massa de ar (m) é dada 
através do produto da densidade pelo volume total ( 
tubo de alumínio + cano de plástico + cilindro 
graduado), temos que, 
 
 
 = 1,204 * 15,346x10^-6 * 1012 *80,3 
 = 1,50 J. 
Logo, 
 
 = 6,759x10^-6 / 1,50 
 = 4,504x10^-6 (±16.51). 
 
Portanto, o rendimento da máquina é igual a 
0,0046 %. 
 
 
Discussão 
 
Ao realizar a coleta de dados, foi possível 
visualmente perceber os tipos de transição de acordo 
com o pistão, ou seja, na prática pode-se notar o 
pistão subindo ou descendo de acordo com a alteração 
da pressão e volume do sistema. Ao gerar o gráfico, 
nota-se a formação de um ciclo fechado, isto é, o 
gráfico retorna ao seu estado inicial passando por 
etapas intermediárias em um certo intervalo de tempo 
que, em que alguns momentos, a pressão é constante e 
ocorre variação da temperatura, enquanto em outros 
pontos a temperatura se mantém constante enquanto 
varia a pressão. 
Com esses dados, foi possível calcular o trabalho 
total realizado neste ciclo, obtendo um valor positivo, 
ou seja, há energia sendo acrescentada ao sistema que 
faz o pistão movimentar-se, sendo assim é condizente 
com a prática que foi realizada. 
Posteriormente, foi possível realizar o cálculo do 
rendimento que, por sua vez, foi obtido um percentual 
muito baixo. Como trata-se de uma máquina real e 
não uma ideal, parte da energia em forma de calor é 
dissipada e não transformada em trabalho. Isso ocorre 
até mesmo no ciclo de Carnot ou no de Otto, por 
exemplo, em que apesar de encontrar um bom 
rendimento, não é possível alcançar uma eficiência de 
100%, uma vez que, de acordo com a segunda lei da 
termodinâmica, nenhuma máquina térmica converte 
todo calor em trabalho, parte dele sai pela fonte 
quente em forma de trabalho enquanto a outra parte é 
dissipada para a fonte fria.Conclusão 
Portanto, o objetivo da prática foi alcançado. 
Entretanto, para isso ocorrer e também para reduzir ao 
máximo as margens de erros dos resultados e obter 
gráficos semelhantes ao esperado, observou-se que é 
necessário verificar se a válvula por onde sai o ar está 
aberta antes de iniciar o experimento, além de ter 
muita atenção e cuidado durante todo procedimento 
da prática, a fim de não alterar a ordem das etapas e 
também para não causar acidentes, como, por 
exemplo, queimaduras. 
O resultado para trabalho realizado pelo pistão foi 
de 6,759x10^-6 J, um valor positivo, desse modo, 
pode-se dizer que o trabalho foi realizado pelo gás e 
não sobre o gás. 
Além disso, o resultado encontrado para o 
rendimento da máquina térmica foi de 0,0046 %, um 
valor extremamente pequeno, dessa forma, pode-se 
dizer que a eficiência da máquina é ruim, mas foi 
possível observar a segunda lei da termodinâmica em 
prática, uma vez que foi perceptível que em máquinas 
térmicas reais parte da energia em forma de calor é 
dissipada em outras formas de energia e não se 
transforma totalmente em trabalho, sendo sempre 
inferior a 100%. 
Referências 
 
[1] Young, Hugh D. Física 11, Sears e Zemansky: 
“Termodinâmica e ondas” Hugh D. Young, Reger A. 
Freedman; colaborador A. Lewis Ford; tradução 
Daniel Vieira; revisão técnica Adir Moysés Luiz. - 14. 
ed. - São Paulo. 
 
[2] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; 
WALKER, Jearl. “Fundamentos de física” 10. ed. 
Rio de Janeiro, RJ: LTC, c2016 vol 2.