Física das máquinas térmicas | Física do cotidiano

Olá querido Estudante eu sou professor Douglas Gomes e hoje nosso tema de física do cotidiano vai ser a física das máquinas térmicas aquela física que envolve o motor de um automóvel as usinas termelétricas que podem girar eletricidade para uma cidade aquela locomotiva a vapor que você já deve ter visto nos desenhos animados tudo isso tem física e se você tem interesse nesse assunto deixa já o seu joinha quer ver mais vídeos como esse se inscreve aqui no canal e Ative o sino das notificações para receber aviso quando tiver vídeo novo quero aprender física comigo no curso feito Especialmente na sua preparação do Seu ensino médio acesse meu site professor douglasgomes. com para conhecer a minha plataforma agora vem comigo que a gente tem muito aprender grande parte das máquinas térmicas tem como fluido operante o vapor de água a água e o vapor de água Como assim o que que é um fluido operante aqui você vai ter a água passando por um sistema de tubulações por pistões Enfim uma série de objetos tecnológicos e essa água é quem vai fazer as transformações de energia para começar aqui a água fica numa Caldeira vai receber energia térmica aqui por meio de alguma Câmara de combustão aqui está sendo queimado Algum objeto que vai fornecer calor para água essa água se transforma em vapor este vapor pode empurrar tanto embolos como pode fazer girar turbinas esse vapor tem essa capacidade depois o vapor deve condensar voltando a ser água para retornar ao processo inicial se você não deixar isso acontecer se você perder esse vapor você vai ter de trazer de novo para sua máquina um pouco mais de água vindo de outro lugar mas no final você vai ter de devolver água para que a sua máquina continue funcionando aqui no caso a gente tem uma usina termonuclear elétrica como funciona você vai ter uma reação nuclear no reator que vai aumentar a temperatura aqui do sistema transferindo energia para a água a água vaporiza esse vapor empurra as turbinas as turbinas vão fazer girar o que a gente chama de alternador este alternador gera energia elétrica que vai ser transferido para a nossa cidade no caso de um motor de um veículo como é que vai funcionar a combustão acontece se já dentro do motor você vai jogar o combustível O combustível vai reagir vai entrar em combustão e vai ter um aumento de temperatura o próprio combustível vai ser o fluido operante o gás né que vai empurrar aqui os pistões fazendo aquele movimento de sobe e desce que é transformado num movimento de giro por uma manivela um sistema de manivelas chamado virabrequim Mas se você quiser aprender mais sobre funcionamento de motores de automóvel tem aqui na descrição do nosso vídeo alguns links para vídeos feitos para cada tipo de motor agora vem comigo que para a gente conseguir entender o funcionamento dessas máquinas térmicas a gente primeiro precisa entender o que é energia muitas pessoas pensam que em energia é algo concreto que eu posso colocar na mão e jogar como se fosse uma bola não é energia é uma abstração matemática é difícil a gente aceitar isso mas pense energia é algo que não existe no mundo concreto você nunca vai pegar uma bola de energia por outro lado todo o sistema físico tem uma propriedade que caracteriza o estado dele chamado energia se você quiser transformar Algum objeto o valor da energia desse objeto deve provavelmente se modificar as transformações Fazem Acontecer transformações nas propriedades do objeto pode ser a propriedade massa volume temperatura quantidade de matéria enfim são tantas as propriedades que é um objeto pode apresentar e uma dessas propriedades é a energia a energia é uma propriedade que existe numericamente que caracteriza o estado de um corpo difícil aceitar Mas calma a gente você vai conseguir entender apesar dessas coisas todas a energia obedece ao princípio da conservação chamado de primeira lei da termodinâmica Toda energia no universo vai se conservar o que que pode acontecer ela pode ser transferida e pode ser transformada mas o valor total da energia no universo se conserva tudo bem bom próxima história a energia de um sistema físico Depende de como esse sistema está se o sistema está de uma forma e se transforma muda a quantidade de energia Mas e se ele volta a ser o que ele era ele volta a ter o mesmo valor da quantidade de energia que ele tinha antes então em todos os processos cíclicos Douglas o que que é um ciclo é quando você retorna ao mesmo estado inicial em todo o processo em que você retorna ao estado Inicial pode ter certeza o valor da energia final é igual ao valor da energia Inicial então o valor da variação da energia em todo o processo cíclico é zero quais são os tipos de transferência de energia que podem acontecer um deles muito famoso é o calor calor é a transferência de energia no contexto microscópico das partículas que constituem a matéria das regiões de maior temperatura para as regiões de menor temperatura ou seja das regiões onde as partículas estão mais agitadas para as regiões onde essas partículas estão menos agitadas é o que vai acontecer aqui nesta representação Suponha que você tem uma chama que fora do recipiente e dentro do recipiente você tem um gás você consegue aumentar a temperatura do gás transferindo energia por esse processo calor como se a temperatura aqui fora for maior do que lá dentro essas partículas aqui de fora vão colidir aqui com as paredes do recipiente e nesta colisão acabam transferindo a energia para as partículas que estão lá dentro que vão ficar mais agitadoras então a transferência de energia vai ser uma partícula interagindo com a outra então a gente falou contexto microscópico mas existe uma outra maneira de transferir energia outra maneira de se transferir energia é o trabalho que a transferência de energia no contexto macroscópico por meio de força e de deslocamento por exemplo se você pegar aqui um gás eu tô representando só uma das moléculas do gás aqui maior certo aqui de verde Azul Existem várias outras moléculas obviamente constituindo o gás se você vier aqui e comprimir o gás você tá transferindo energia para ele então durante uma compressão você pode esquentar um gás espremendo um gás ele esquenta são duas essas formas que a gente pode observar de transferência de energia E aí em cima disso que a gente vai estudar agora as transformações que ocorrem numa máquina térmica nem comigo aqui ao lado eu desenhei um modelo simplificado de uma máquina térmica então tem suas limitações o que eu vou apresentar aqui para você mas vai ser o suficiente para que você entenda as transformações que vão ocorrer no funcionamento deste equipamento primeira coisa aqui nós temos um sistema de dutos que vão conter o nosso fluido operante Douglas o que que é o fluido perante é o fluido que vai sofrer as transformações aqui nesse caso nós vamos fazer uso de água então nosso fluido operante vai ser a água que vai sofrer transformações para vapor por exemplo bem aqui a gente tem uma turbina Douglas O que que é uma turbina é como um catavento você sopra e ele gira simples assim da mesma forma que esse Catavento essa turbina na hora que for soprada ela vai girar e vai fazer girar o nosso equipamento a nossa máquina isso poderia ser um ventilador girando isso poderia ser a roda de um carro girando você vai poder criar grandes equipamentos com isso daqui depois que esse vapor passa por aqui ele vai percorrer todo um trajeto e retornar ao estado Inicial Mas quais são as transformações envolvidas com que que essa nossa máquina vai ter de interagir é disso que nós vamos falar agora a primeira condição para que uma máquina térmica possa funcionar um motor térmico possa funcionar é que a vizinhança desse motor esteja em desequilíbrio térmico Como assim é necessário que exista uma região próxima a ele que esteja uma maior temperatura e algum outro objeto a uma menor temperatura essa fronteira que eu desenhei aqui pontilhada é a fronteira que separa a nossa máquina da vizinhança da máquina Então o que está aqui na vizinhança da máquina deve estar em desequilíbrio térmico um a temperatura maior chamado fonte quente Algum objeto uma temperatura maior aqui a gente vai ter uma câmara de combustão Onde vamos queimar sei lá pode ser combustível qualquer como álcool ou gasolina ou até carvão que você quiser fazer para deixar a temperatura aqui maior e a fonte fria costuma ser a própria atmosfera as águas de um rio ou até a água do mar Então vai depender de onde você se encontra os carros utilizam a atmosfera como fonte fria e muitas termoelétricas utilizam o rio ou um mar para conseguir resfriar né receber calor da nossa máquina térmica agora vamos observar quais vão ser as transferências que vão acontecer primeira coisa na hora que você coloca aqui a nossa água em contato com a nossa fonte quente a câmara de combustão vai acontecer a transferência de energia por qual mecanismo pelo mecanismo calor Então nós vamos observar aqui a entrada de calor este calor recebido o módulo do calor a gente vai falar em módulo para sempre dar um valor positivo certo este calor vai provocar uma transformação nesta água que está aqui ela vai vaporizar e a medida que ela vaporiza ela se expande e para se expandir ela vai precisar fazer força e deslocar o que estiver ao redor está gostando do meu trabalho pois eu te convido a conhecer a minha plataforma de física para o ensino médio com vídeo aulas feitas para você aprender do básico até o nível que você precisa para fazer a sua prova para o seu Enem para o seu vestibular as nossas videoaulas e acompanhadas de resoluções de exercícios e listas também em PDF para você resolver não conseguiu entender a gente tem aqui então um espaço para você tirar as dúvidas quero aprender física comigo acesse meu site professor douglasgomes. com Segue o vídeo e se vapor vai por conta da expansão poder empurrar e rotacionar a turbina que verdinha fazendo a realização de trabalho conforme aqui Note que nem todo trabalho realizado aqui na expansão vai sair da Máquina parte dele eu vou mostrar que vai ser utilizado aqui dentro da máquina então a gente não vai contabilizar para cá mas vamos continuar nós temos esse vapor que vai sair quente aqui da máquina ele empurra mas ainda sai quente aqui da máquina que que nós precisamos fazer para que tudo se transforme em um ciclo eu vou precisar fazer este vapor quente que tá saindo aqui da turbina perca a energia e volte a se tornar água então o vapor deve condensar e para que o vapor se condense se transforme em líquido ele vai precisar perder calor este calor vai ser perdido aqui para a tal da fonte fria que pode ser atmosfera o rio ou o mar assim nem todo o trabalho da expansão saiu da máquina porque parte dessa energia de trabalho acaba sendo utilizada na compressão do vapor porque na hora que o vapor ele vai condensar ele diminui de volume ele sofre uma certa compressão por isso o nosso desenho esquemático fica Conforme você vê aí Douglas e como é que são as transferências de energia com a vizinhança seguinte no final de todo o processo o que era água voltou a ser água no mesmo estado ou seja a variação de energia depois de todo esse processo é zero a energia que eu tenho aqui no fim é a mesma que eu tenho no começo Douglas e aí isso quer dizer que toda a energia que entrou na nossa máquina saiu da máquina já que ao fim de todo o processo a água voltou a ser a mesma água que aqui dentro da máquina Observe que o total de energia que entra igual o total de energia que sai logo o calor recebido é o que tá entrando aqui ó tá atravessando a nossa Fronteira para máquina e o que tá saindo Este trabalho que vai ser utilizado para movimentar alguma coisa com esse motor e o calor que é cedido que é perdido para atmosfera para o Rio para o mar para o meio ambiente podendo causar então a tal da poluição térmica este local aqui onde está acontecendo a perda é a unidade condensadora do vapor é onde o vapor vai condensar porque tá perdendo calor para atmosfera Aqui é onde a gente pode ter algum Impacto e há também Impacto possível na câmara de combustão porque o produto da combustão aí vai ser dióxido de carbono sendo jogado na atmosfera bacana agora o que que você paga para essa máquina funcionar você vai pagar aqui pelo combustível ou seja você pelo calor que a máquina vai receber mas o que é que você utiliza você utiliza que esse trabalho que o motor vai efetuar isso é a parte útil e o que é que você perde a perda é aquilo que você acaba jogando para o ambiente muitas indústrias acabam usando esse calor que seria jogado no rio no mar para aquecer uma determinada porção da água e usa-se essa água aquecida em processos de limpeza da área da indústria e água quente é bem mais eficaz do que água gelada para poder fazer um bom processo de limpeza Então nem tudo acaba sendo perdido a gente pode ter estratégias para tá Mas não é sempre que isso dá para a gente fazer tudo bem até aqui agora eu posso falar em rendimento de uma máquina que muitos também chamam de eficiência de uma máquina ela é a razão entre a parte útil e aquilo que eu investi para utilizar o rendimento de um ciclo que a gente vai representar por esse n com uma perninha puxada que na verdade a letra grega Eta o rendimento de um ciclo é o valor do trabalho útil que a gente consegue obter com a máquina dividido pelo calor que ela recebeu que foi aquilo que a gente investiu Douglas me dê um exemplo Então vamos lá Suponha que essa sua máquina recebeu uma quantidade de calor de mil joules ou julies e efetuou um trabalho de 400 [Música] joules ele ela acaba perdendo quanto para o ambiente quanto é que falta entrou 1000 utilizei 400 perdi 600 joules para a atmosfera por exemplo qual teria sido esse nosso Rendimento o trabalho que foi de 400 joules dividido pelo calor recebido que foi de mil joules 400 / 1000 dá 0,4 que a gente pode dizer que a mesma coisa que 40% a gente pode expressar este rendimento em um percentual Douglas é isso uma máquina térmica sim e esses ciclo se for representado num diagrama pressão versus volume vai ser algo parecido com isso vai ser então um gráfico no diagrama pressão versus volume acontecendo no sentido horário Douglas e se tiver no anti-horário aí uma geladeira uma máquina frigorífica mas no sentido horário é um motor térmico Douglas que mais que eu preciso saber existem limitações é esse rendimento aí de 40% não poderia ser 100% pegar todo o calor e transformar em trabalho é aí que vem a parte complicada para poder o nosso fluido operante voltar a ser o que era antes e fechar um ciclo Em algum momento será necessário perder calor é impossível numa transformação cíclica uma máquina pegar todo o calor Recebido e devolver para a vizinhança na realização de trabalho não dá porque como eu já disse em uma parte do ciclo Você vai precisar perder calor para voltar a ser o que era para o vapor aqui nesse caso voltar a ser água não interessa o que você tem que fazer é impossível uma máquina operando em ciclos converter todo o calor recebido em trabalho Douglas é impossível converter todo o calor em trabalho em ciclos se a transformação não fosse rica dá para fazer isso mas só se ela não for cíclica se for um ciclo não dá para converter tudo tudo bem Douglas Tem mais alguma outra limitação tem existem limitações para o funcionamento das máquinas térmicas o rendimento de qualquer ciclo vai ser sempre menor do que 100%.

mas existe uma limitação intermediária que é chamada limitação do ciclo de carnoth Cardoso Foi um engenheiro que foi pensar Qual seria a melhor forma de construir uma máquina e ele conseguiu chegar a uma idealização a máquina dele não dá para a gente construir ela precisaria de um tempo muito grande para funcionar não poderia ter atrito uma série de situações ideais mas para que que serve estudar o ciclo de Carnot para a gente saber até onde uma máquina consegue ir o máximo de rendimento que uma máquina pode apresentar de acordo com o Carnot naquele ciclo idealizado dele seria um menos a temperatura da fonte fria dividido pela temperatura da fonte quente tem um vídeo aqui no canal vou deixar o link aqui na descrição falando sobre o tal do ciclo de Carnot este ciclo tem que vir aqui calculado Qual a temperatura em Kelvin a professora eu gosto mais de Celsius porque é mais bonitinho não você tem de usar Kelvin que Kelvin é a temperatura relacionada a agitação das partículas vai ter sempre valores positivos vamos supor por exemplo que a gente tivesse aqui para a temperatura da fonte fria Então vamos colocar aqui ó a temperatura da fonte fria fosse algo em torno de 300 Kelvin e a temperatura aqui da fonte quente Então a temperatura quente fosse algo em torno de uns 600 Kelvin a temperatura aqui da nossa Câmara de combustão qual seria o rendimento de Carnot para esta situação seria um menos 300 Kelvin sobre 600 Kelvin Isso daria 50%. Olha que legal nossa máquina tá apresentando 40 a de carnou conseguiria chegar até 50 mas Douglas eu ainda não sei porque que eu estudo esse tal desse carno olha que legal o rendimento da nossa máquina já está relativamente próximo ao de Carnot Então nossa máquina tá bem boa se a gente tivesse uma máquina de 10% de rendimento enquanto a de carbono daria 50 a gente sabe que aí dava para melhorar bastante a máquina mas a gente já tá bem próximo já pensou se a nossa máquina tivesse 49% de rendimento e a de carnou que seria a máquina perfeita tivesse 50 a gente já tá muito próximo da perfeição ah Douglas mas não dá para atingir o 100% não dá Douglas Mas eu vi um engenheiro que disse que operando entre 300 Kelvin e 600 Kelvin conseguiu uma máquina com 70% de rendimento metiroso não dá é impossível você conseguir um rendimento melhor do que o de Carnot operando entre essas duas temperaturas de 300 e de 600 Kelvin com isso meu querido estudante nós terminamos a nossa explicação sobre as máquinas térmicas cíclicas gostou do nosso vídeo deixe o seu joinha quer ver mais vídeos como esse se inscreve aqui no canal e Ative o sino das notificações para receber aviso quando tiver vídeo novo quero aprender física comigo no curso feito especialmente para você acesse meu site professor douglasgomes.