O documento discute máquinas térmicas e como elas transformam energia de uma forma para outra. Exemplos incluem usinas termelétricas que transformam energia química em energia elétrica através de caldeiras, turbinas e geradores, e motores a vapor e de combustão interna que transformam energia térmica em energia mecânica para mover veículos. O documento também explica como geladeiras funcionam transferindo calor do interior para o exterior.

1. TERMODINÂMICA TERMODINÂMICA TERMO  relativo ao calor DINÂMICA que tem movimento Movimento, provocado pelo calor, para realização de trabalho útil.

2. Qualquertrabalhoimplica em transformação de energia ! Qualquer agente capaz de realizar trabalho, convertendo energia de uma forma em outra, é considerado uma máquina. Ex. Máquina elétrica – transforma a energia elétrica em energia mecânica, como máquina de lavar roupas, liquidificador, furadeira. Ex. Máquina térmica - transforma a energia térmica em energia mecânica, como usina termelétrica (mov. turbinas), trem a vapor (mov. rodas), motor a combustão interna (mov. rodas)

3. Pensando bem... O corpo humano também é uma máquina ?! Transformaaenergiaquímica dos alimentos em energia térmica (mantém nossa temperatura), energia mecânica (caminhar, circulação do sangue), energia sonora (falar, cantar), energia elétrica (transmissão dos sentidos)...

5. Usina Termelétrica de Porto Alegre-RS

6. Usina Termelétrica Porto Alegre, do tipo térmica a vapor, está localizada na margem esquerda do rio Gravataí, junto à BR 290, na área metropolitana de Porto Alegre, no estado do RS. A Usina entrou em operação em 1968 com três unidades de 8 MW cada, totalizando 24 MW. Seus equipamentos utilizam óleo combustível, tipo A1, como fonte primária para a geração de energia elétrica. Três caldeiras abrigadas do tipo circulação natural, utilizando fornalha de radiação, com dois balões, produzem 40 ton/h de vapor a 450ºC e a 42 Kg/cm² para alimentar as três turbinas, com 10 estágios que compõem o ciclo produtivo da Usina. Características da Usina: Capacidade instalada: 24 MW 03 Turbinas: fabricante - Skoda (Theco-Slovaquia) 03 Alternadores (3 x 8 MW): fabricante - Skoda03 Caldeiras: fabricante - Z.SM.Kirova – Skoda

7. Numa Usina Termelétrica, a queima de um combustível* dentro da caldeira aquece a água, para transformá-la em vapor. O vapor exerce força suficiente para movimentar as turbinas a vapor, que estão ligadas aos geradores de eletricidade. Nesse caso, ocorrem sucessivamente as transformações: de energia química em térmica, em mecânica, em elétrica. * Os combustíveis mais utilizados são: carvão mineral, óleo diesel, bagaço de cana e casca de arroz.

8. Nesse momento podemos lembrar da lei maior da natureza: a Lei de Conservação da Energia “A energia não pode ser criada nem destruída, somente transformada de uma forma em outra.” Em acordo com essa, expressamos a Primeira Lei da Termodinâmica: “Quando uma quantidade de calor Q é absorvida ou cedida por um sistema, e um trabalho  é realizado por esse sistema ou sobre ele, a variação da energia interna do sistema U édada por: U = Q - ”

9. Por exemplo: Um sistema recebe certa quantidade de calor, Q=100J. Suponhamos que, desse calor recebido, 70J sejam cedidos ao meio ambiente sob a forma de trabalho. Para onde foram os 30J restantes? Esses 30J ficaram armazenados pelo sistema, aumentando sua energia interna. Q=100J  = 70J  U=30J Q=  +U

11. As máquinas térmicas operam com um fluido – líquido ou gás – para o seu funcionamento. Quando um gás se expande, empurrando um pistão, rea- liza um trabalho positivo. Quando um gás sofre compressão, realiza um trabalho negativo. Isto é, foi realizado trabalho sobre o sistema.

12. O primeiro trem era movido pela força do vapor (maria-fumaça) O vapor empurra o pistão, ligado a alavancas que movem as rodas para frente.

13. Barco a vapor, idealizado por James Watt

14. ... Mais tarde foi aperfeiçoado.

15. O motor a vapor não revolucionou apenas o transporte, mas deu início a Revolução Industrial ocorrida na Europa. A força manual seria substituída pela força do vapor – que movia pistões ligados a alavancas, e, com isso, movia os teares das indústrias. Tear movido a mão

16. Os teares passaram a ser movidos pela força do vapor

18. Em cada um dos cilindros, duas válvulas (1 e 2) e um pistão (3) 1 2 3

19. Esse motor também é chamado de motor quatro tempos: Veja os quatro tempos que compõem seu ciclo de funcionamento  ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPLOSÃO e EXPANSÃO ESCAPAMENTO ou EXAUSTÃO

20. Analisemos a Segunda Lei da Termodinâmica: “É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, transforme em trabalho todo o calor fornecido a ela.” De fato, nenhuma máquina térmica consegue completar o ciclo sem ceder uma parte do calor para a fonte fria (normalmente o ambiente onde se encontra), não conseguindo, portanto, ter um rendimento de 100% na transformação do calor em trabalho. Se uma máquina térmica conseguisse transformar em trabalho todo calor fornecido a ela, teria rendimento de 100%, seria então chamada de máquina térmica ideal.

21. O rendimento R de uma máquina térmica é obtido da relação entre o trabalho  que ela realiza em cada ciclo e a quantidade de calor Q absorvido da fonte quente, ou seja, R =  / Q. Exemplo: Um motor efetua 8 ciclos por segundo. Em cada ciclo, retira 600J da fonte quente e cede 300J à fonte fria. Qual é o rendimento desse motor? R = 300J / 600J  R = 0,5 x100%  R = 50%

22. Sadi Carnot expressou o rendimento máximo de uma máquina térmica: Rmáx = (T1 – T2) / T1, onde a temperatura da fonte fria T2e a temperatura da fonte quente T1 são dadas em Kelvin. Devemos lembrar que: “Só é possível transformar calor em trabalho útil utilizando-se duas fontes de calor em temperaturas diferentes.” Exemplo: Num certo vôo, a turbina de um avião retira calor da fonte quente a 1270C e ejeta gases p/ a atmosfera a -330C. Veremos então que o rendimento dessa turbina é de 40% .

23. OBSERVAÇÃO: Motor a Jato usado em aviões É formado por 3 partes principais: COMPRESSOR – ele aspira o ar pela parte dianteira e o comprime, através de hélices diferenciadas. CÂMARA DE COMBUSTÃO ou COMBUSTOR– o ar comprimido entra e se mistura com o combustível (querosene) e se inflama, produzindo um gás de alta temperatura e alta pressão. TURBINA – é levada a girar em alta velocidade pelo gás quente que sai do combustor.

24. Compressor Combustor Turbina Após passar pela turbina, o gás escapa num jato quente para trás, causando o impulso que o avião precisa para frente -> Princípio da Ação e Reação.

26. Como essas máquinas esfriam? Um sistema de refrigeração necessita basicamente de 3 peças: Motor compressor (1), condensador (2)e evaporador (3) O trabalho do gás (freon) é transportar o calor do interior para o exterior da geladeira. O compressor comprime o gás, deixando-o na forma líquida, e empurra o mesmo pela tubulação do condensador. O gás entra no congelador, na parte chamada evaporador, onde retira calor do interior da geladeira. Transforma-se em vapor, ao retirar calor, e volta novamente para o compressor.

27. Observação: Como o calor passa da fonte fria (interna) para a fonte quente (externa), ao contrário das outras máquinas térmicas, dizemos que a geladeira é uma máquina térmica operando em sentido contrário. A situação normal é o calor passar da fonte quente para a fria; assim, ele quer “entrar na geladeira” uma vez que o ambiente está mais quente. Por esse motivo, o motor precisa empurrar o calor para fora – causando um movimento da fonte fria para a quente. É um mov. forçado a acontecer, necessitando uso da energia elétrica!