Motor de Calor: Definição, Tipos e Exemplos

Os motores de calor estão ao seu redor. Do carro que você dirige à geladeira que mantém sua comida fria e aos sistemas de aquecimento e refrigeração de sua casa, todos eles funcionam com base nos mesmos princípios-chave.

O objetivo de qualquer máquina de calor é converter energia térmica em trabalho útil, e existem muitas abordagens diferentes que você pode usar para fazer isso. Uma das formas mais simples de motor térmico é o motor Carnot, em homenagem ao físico francês Nicolas Leonard Sadi Carnot, construído em torno de um processo idealizado de quatro estágios que depende de adiabáticos e isotérmicos estágios.

Mas o motor Carnot é apenas um exemplo de motor térmico, e muitos outros tipos alcançam o mesmo objetivo básico. Aprender como funcionam as máquinas de calor e como fazer coisas como calcular a eficiência de uma máquina de calor é importante para qualquer pessoa que esteja estudando termodinâmica.

Uma máquina térmica é um sistema termodinâmico que converte energia térmica em energia mecânica. Embora muitos projetos diferentes caiam sob esse título geral, vários componentes básicos são encontrados em praticamente qualquer motor térmico.

Qualquer máquina de calor precisa de um banho de calor ou uma fonte de calor de alta temperatura, que pode assumir muitas formas diferentes (por exemplo, um reator nuclear é a fonte de calor em uma usina nuclear, mas em muitos casos a queima de combustível é usada como aquecimento fonte). Além disso, deve haver um reservatório de frio de baixa temperatura, bem como o próprio motor, que geralmente é um gás que se expande com a aplicação de calor.

O motor absorve calor do reservatório quente e se expande, e esse processo de expansão é o que funciona no meio ambiente, geralmente aproveitado em uma forma utilizável com um pistão. O sistema então libera energia térmica de volta para o reservatório frio e retorna ao seu estado inicial. O processo então se repete continuamente de forma cíclica para gerar continuamente trabalho útil.

Os ciclos termodinâmicos ou ciclos do motor são uma forma genérica de descrever muitos sistemas termodinâmicos específicos que funcionam de maneira cíclica comum à maioria dos motores térmicos. O exemplo mais simples de um motor térmico trabalhando com ciclos termodinâmicos é o motor de Carnot ou um motor operando com base no ciclo de Carnot. Esta é uma forma idealizada de motor térmico que envolve apenas processos reversíveis, em particular compressão e expansão adiabática e isotérmica.

Todos os motores de combustão interna operam no ciclo Otto, que é outro tipo de ciclo termodinâmico que usa a ignição de combustível para trabalhar em um pistão. No primeiro estágio, o pistão cai para puxar uma mistura de ar-combustível para o motor, que é então comprimido adiabaticamente no segundo estágio e inflamado no terceiro.

Há um rápido aumento da temperatura e da pressão, que atua no pistão por meio da expansão adiabática, antes que a válvula de escape se abra, levando a uma redução da pressão. Finalmente, o pistão sobe para limpar os gases gastos e completar o ciclo do motor.

Outro tipo de motor térmico é o motor Stirling, que contém uma quantidade fixa de gás que se move entre dois cilindros diferentes em diferentes estágios do processo. O primeiro estágio envolve o aquecimento do gás para elevar a temperatura e produzir alta pressão, que move um pistão para fornecer trabalho útil.

O pistão então sobe de volta e empurra o gás para um segundo cilindro, onde é resfriado pelo frio reservatório antes de ser comprimido novamente, um processo que exige menos trabalho do que foi produzido no etapa. Finalmente, o gás é movido de volta para a câmara original, onde o ciclo do motor Stirling se repete.

A eficiência de um motor térmico é a relação entre a produção de trabalho útil e a entrada de calor ou energia térmica, e o o resultado é sempre um valor entre 0 e 1, sem unidades porque a energia térmica e a produção de trabalho são medidas em joules. Isso significa que se você tivesse umperfeitomotor térmico, teria uma eficiência de 1 e converteria toda a energia térmica em trabalho utilizável, e se conseguisse converter a metade, a eficiência seria 0,5. Em uma forma básica, a fórmula pode ser escrito:

Claro, é impossível para uma máquina térmica ter uma eficiência de 1, porque a segunda lei da termodinâmica dita que qualquer sistema fechado aumentará a entropia ao longo do tempo. Embora haja uma definição matemática precisa de entropia que você pode usar para entender isso, a maneira mais simples de pense nisso é que ineficiências inerentes a qualquer processo levam a alguma perda de energia, geralmente na forma de desperdício aquecer. Por exemplo, o pistão de um motor, sem dúvida, terá algum atrito trabalhando contra seu movimento, o que significa que o sistema perderá energia no processo de conversão do calor em trabalho.

A eficiência máxima teórica de um motor térmico é chamada de eficiência de Carnot. A equação para isso relaciona a temperatura do reservatório quenteT​_H e reservatório de frioT​_C para a eficiência (η) do motor.

Você pode multiplicar o resultado disso por 100 se quiser expressar a resposta como uma porcentagem. É importante lembrar que este é oteóricomáximo - é improvável que qualquer motor do mundo real realmente se aproxime da eficiência de Carnot na prática.

O importante a observar é que você maximiza a eficiência dos motores térmicos aumentando a diferença de temperatura entre o reservatório quente e o reservatório frio. Para um motor de automóvel,T​_H é a temperatura dos gases dentro do motor durante a combustão, eT​_C é a temperatura na qual são empurrados para fora do motor.

A máquina a vapor e as turbinas a vapor são dois dos exemplos mais conhecidos de uma máquina de calor, e a invenção da máquina a vapor foi um acontecimento histórico importante na industrialização da sociedade. Uma máquina a vapor funciona de maneira muito semelhante às outras máquinas térmicas discutidas até agora: uma caldeira gira a água em vapor, que é enviado para um cilindro contendo um pistão, e a alta pressão do vapor move o cilindro.

O vapor transfere parte da energia térmica para o cilindro, esfriando no processo e, em seguida, quando o pistão é totalmente empurrado para fora, o vapor restante é liberado do cilindro. Neste ponto, o pistão retorna à sua posição original (às vezes, o vapor é direcionado para o outro lado do pistão para que ele possa empurrá-lo para trás também), e o ciclo termodinâmico começa novamente com mais vapor.

Este projeto relativamente simples permite que uma grande quantidade de trabalho útil seja produzida a partir de qualquer coisa capaz de ferver água. A eficiência de uma máquina térmica com este projeto depende da diferença entre a temperatura do vapor e a do ar circundante. Uma locomotiva a vapor usa o trabalho criado a partir desse processo para girar as rodas e impulsionar o trem.

Uma turbina a vapor funciona de maneira muito semelhante, exceto que o trabalho vai girar uma turbina em vez de mover um pistão. Esta é uma forma particularmente útil de gerar eletricidade por causa do movimento rotacional gerado pelo vapor.

O motor de combustão interna funciona com base no ciclo Otto descrito acima, com ignição por centelha usada para motores a gasolina e ignição por compressão para motores a diesel. A principal diferença entre eles é a forma como a mistura ar-combustível é inflamada, com a mistura ar-combustível sendo comprimida e então fisicamente inflamado nos motores a gasolina e combustível sendo pulverizado no ar comprimido em motores a diesel, fazendo com que ele entre em ignição a partir do temperatura.

Além disso, o resto do ciclo Otto é concluído conforme descrito anteriormente: o combustível é puxado para o motor (ou apenas ar para diesel), comprimido, inflamado (por uma faísca para combustível e pulverização de combustível no ar quente, comprimido para diesel), que faz trabalho utilizável no pistão através da expansão adiabática e, em seguida, a válvula de escape se abre para reduzir a pressão e o pistão empurra o gás usado.

Bombas de calor, condicionadores de ar e geladeiras também funcionam em uma forma de ciclo de calor, embora tenham o objetivo diferente de usar o trabalho para mover a energia térmica ao redor, e não o contrário. Por exemplo, no ciclo de aquecimento de uma bomba de calor, o refrigerante absorve calor do ar externo por causa de sua temperatura mais baixa (já que o calorsempreflui de quente para frio) e é então empurrado por um compressor para aumentar sua pressão e, portanto, sua temperatura.

Esse ar mais quente é então movido para o condensador, próximo à sala a ser aquecida, onde o mesmo processo transfere calor para a sala. Finalmente, o refrigerante é movido para uma válvula que baixa a pressão e, portanto, a temperatura, pronto para outro ciclo de aquecimento.

No ciclo de resfriamento (como em uma unidade de ar condicionado ou refrigerador), o processo funciona essencialmente ao contrário. O refrigerante absorve a energia térmica da sala (ou dentro da geladeira) porque é mantido em um temperatura fria, e então é empurrado através do compressor para aumentar a pressão e temperatura.

Nesse ponto, ele se move para o lado de fora da sala (ou para a parte de trás da geladeira), onde a energia térmica é transferida para o ar externo mais frio (ou para a sala ao redor). O refrigerante é então enviado através da válvula para baixar a pressão e a temperatura, fazendo a leitura para outro ciclo de aquecimento.

Como o objetivo desses processos é o oposto dos exemplos do motor, a expressão para a eficiência de uma bomba de calor ou refrigerador também é diferente. Isso é bastante previsível na forma, no entanto. Para aquecimento:

E para refrigeração:

Onde oQos termos são para a energia térmica movida para a sala (com o subscrito H) e movida para fora dela (com o subscrito C) eC​_dentro é a entrada de trabalho no sistema na forma de eletricidade. Novamente, esse valor é um número adimensional entre 0 e 1, mas você pode multiplicar o resultado por 100 para obter uma porcentagem, se preferir.

As usinas de energia ou usinas de energia são apenas outra forma de motor térmico, quer criem calor usando um reator nuclear ou queimando combustível. A fonte de calor é usada para mover turbinas e, assim, fazer trabalho mecânico, muitas vezes usando vapor de água aquecida para girar uma turbina a vapor, que gera eletricidade da maneira descrita acima. O ciclo de calor preciso usado pode variar entre as usinas, mas o ciclo de Rankine é comumente usado.

O ciclo de Rankine começa com a fonte de calor aumentando a temperatura da água e, em seguida, a expansão do vapor d'água em um turbina, seguida pela condensação no condensador (liberando calor residual no processo), antes que a água resfriada vá para um bombear. A bomba aumenta a pressão da água e a prepara para mais aquecimento.