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Qual a importância da termodinâmica no dia a dia?

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Qual a importância da termodinâmica no dia a dia?

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Podemos dizer que a termodinâmica é uma das bases da engenharia dos materiais, pois os processos de fabricação de novos materiais envolvem muito a transferência de calor e trabalho para as matérias primas.

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Entenda o que é termodinâmica e suas aplicações nos dias de hoje

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Especialista conta como a ciência transformou energia térmica em mecânica

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Onde podemos encontrar a termodinâmica no cotidiano?

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Onde podemos encontrar a termodinâmica no cotidiano?

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A termodinâmica também é aplicada nos automóveis. No processo de combustão, há uma grande liberação de calor e energia. Também podemos citar a mistura de café quente com leite frio. Ainda que tenham temperaturas iniciais distintas, em pouco tempo o corpo mais quente (café) transfere energia térmica para o mais frio (leite). Assim, a mistura fica morna, resultado do equilíbrio térmico.

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Importância do equilíbrio termodinâmico em situações do cotidiano.

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Importância do equilíbrio termodinâmico em situações do cotidiano.

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O que são máquinas térmicas na termodinâmica?

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O que são máquinas térmicas na termodinâmica?

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Máquinas térmicas são dispositivos que absorvem calor de uma fonte e convertem-no parcialmente em energia mecânica.

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Qual a relação entre máquinas térmicas e equilíbrio termodinâmico?

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Qual a relação entre máquinas térmicas e equilíbrio termodinâmico?

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A relação entre o equilíbrio termodinâmico e funcionamento de uma máquina térmica está que o equilíbrio ao transferir energia em forma de calor entre as temperaturas podem ser utilizada para o funcionamento de uma máquina térmica

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As máquinas térmicas precisam receber certa quantidade de calor para funcionar. No entanto, apenas uma pequena fração dessa quantidade de calor, que é uma forma de energia, pode ser convertida em trabalho útil.

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Articular recursos e ideias para melhorar substancialmente um processo ou produto. Além disso, buscar o aperfeiçoamento e valorização do capital humano e financeiro de uma companhia.

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Máquinas térmicas são dispositivos capazes de transformar energia térmica em trabalho mecânico. Toda máquina térmica necessita de uma fonte de calor e de uma substância de trabalho capaz de ter o seu volume modificado e, consequentemente, movimentar algum mecanismo, como válvulas ou pistões.

Os motores de combustão interna, como aqueles que movem os automóveis atuais, são exemplos de máquinas térmicas. Eles absorvem o calor que é produzido a partir da queima de uma mistura de combustível e ar, que é periodicamente injetada no interior de seus cilindros.

Desse modo, parte da energia que é liberada durante a explosão é convertida em trabalho, por meio do movimento do pistão - uma das partes móveis do motor, usada para converter a energia térmica em energia cinética.

Os motores de combustão interna, como aqueles que movem os automóveis, são exemplos de máquinas térmicas.

Tópicos deste artigo

Como funcionam as máquinas térmicas?

Todas as máquinas térmicas operam de acordo com um ciclo termodinâmico, isto é, sequências de estados termodinâmicos que se repetem. Esses ciclos apresentam diferentes estados de volume, pressão e temperatura, que são geralmente representados por gráficos de pressão em função do volume. Os ciclos termodinâmicos são projetados em busca da maior eficiência energética, ou seja, busca-se sempre a produção de motores capazes de extrair uma grande quantidade de trabalho.

A área do gráfico das máquinas térmicas indica a quantidade de trabalho que elas realizam durante um ciclo.

Em qualquer ciclo termodinâmico, é possível calcular o trabalho graficamente. Para tanto, é necessário calcular a área do interior do gráfico, o que pode ser complicado de ser feito, caso o ciclo em questão tenha algum formato irregular. Além disso, o sentido das setas, horário ou anti-horário, indica se o ciclo em questão é o ciclo de uma máquina térmica ou de um refrigerador. Confira:

Ciclo no sentido horário: Se o sentido do ciclo for horário, o ciclo é o de uma máquina térmica, a qual absorve calor e produze trabalho.

Ciclo no sentido anti-horário: No caso em que o sentido de um ciclo é anti-horário, ele precisa receber trabalho mecânico e liberar calor, como no caso dos motores de refrigerador.

Toda máquina térmica apresenta uma configuração similar: dispõe de uma fonte de calor (fonte quente), da qual extrai a energia necessária para o seu funcionamento, e um sorvedouro (fonte fria), para onde uma parte do calor absorvido é dissipada. Observe o esquema a seguir:

As máquinas térmicas absorvem calor e liberam trabalho, o contrário do que fazem os refrigeradores.

De acordo com a primeira lei da Termodinâmica, as máquinas térmicas precisam receber certa quantidade de calor para funcionar. No entanto, apenas uma pequena fração dessa quantidade de calor, que é uma forma de energia, pode ser convertida em trabalho útil .

As razões dessa limitação são essencialmente duas: a primeira diz respeito à capacidade técnica de se produzir uma máquina que não dissipe energia - o que é impossível -, e a segunda é uma limitação da própria natureza: pela 2ª lei da Termodinâmica, nenhuma máquina térmica pode apresentar um rendimento de 100%. Confira o que diz a 2ª lei da Termodinâmica, conhecida como lei da entropia , de acordo com o enunciado de Kelvin:

"Não é possível que qualquer sistema, a certa temperatura, absorva calor de uma fonte e transforme-o integralmente em trabalho mecânico, sem que ocorram modificações nesse sistema ou em suas vizinhanças."

O enunciado de Kelvin diz respeito à conversão integral de calor em trabalho mecânico, afirmando que isso é impossível sem que ocorram "mudanças" no sistema. Essa mudança refere-se ao efeito da entropia: ao retirar calor de alguma fonte quente, parte dessa energia é degradada em formas menos úteis de energia. Os processos de degradação da energia são muitos: vibração das partes mecânicas, atrito entre peças e rolamentos, calor dissipado para o meio externo, produção de ruídos sonoros etc.
Veja também: Conheça a história das máquinas térmicas
Mapa Mental: Máquinas Térmicas

*Para baixar o mapa mental em PDF, clique aqui!

Rendimento das máquinas térmicas

O rendimento de qualquer máquina térmica pode ser calculado como a razão do trabalho mecânico que ela produz pela quantidade de calor que ela absorve de alguma fonte quente:

τ - Trabalho mecânico (J - joules ou cal - calorias)

Calor proveniente da fonte quente (J - joules ou cal - calorias)

O trabalho mecânico, por sua vez, é determinado pela diferença entre as quantidades de calor "quente" e "frio", portanto, podemos escrever o rendimento das máquinas térmicas por meio dessas quantidades:

Buscando determinar qual seriam as características do ciclo termodinâmico "perfeito", o físico francês Sadi Carnot desenvolveu um ciclo que, ao menos teoricamente, apresenta a maior eficiência possível para uma máquina térmica que opere nas mesmas temperaturas.

Esse ciclo, conhecido como o , popularmente chamado de ciclo de Carnot máquina de Carnot, não é uma máquina real, visto que até, os dias atuais, impossibilidades técnicas e práticas impediram a construção de tal máquina.

Teorema de Carnot

O teorema de Carnot, enunciado no ano de 1824, estabelece que mesmo a máquina térmica ideal, que não dissipe nenhuma quantidade de energia em razão do atrito entre suas partes móveis, apresenta um limite de rendimento máximo, que depende da razão entre as temperaturas de sua fonte quente e fria, dadas em kelvin:

Analisando a fórmula acima, é possível perceber que a máquina térmica ideal tem o seu rendimento determinado exclusivamente pelas temperaturas de suas fontes fria e quente. Além disso, para que o seu rendimento fosse de 100%, seria necessário que a T F fosse nula, ou seja, 0 K, a temperatura do zero absoluto. Entretanto, de acordo com a 3ª Lei da Termodinâmica, tal temperatura é inatingível.

A fórmula de rendimento mostrada acima só é válida para as máquinas térmicas que operem segundo o ciclo de Carnot. Além disso, o teorema também mostra que a razão entre as temperaturas T F e T Q é igual à razão entre as quantidades de calor Q F e Q Q:

Vejatambém: Aprenda mais sobre o rendimento de máquinas térmicas

Ciclo de Carnot

O ocorre em quatro etapas (ou quatro tempos). Esse ciclo é formado por duas ciclo de Carnot transformações adiabáticas e duas transformações isotérmicas. As transformações adiabáticas são aquelas em que não há trocas de calor, enquanto as transformações isotérmicas são aquelas em que não há variação de temperatura e, consequentemente, a energia interna da substância de trabalho responsável por movimentar a máquina térmica permanece constante.

A figura a seguir representa o ciclo de Carnot e suas quatro etapas. Confira:

I - Expansão isotérmica: Nessa etapa, a substância de trabalho expande-se mantendo sua temperatura constante, realiza trabalho e recebe calor da fonte quente.

II - Expansão adiabática: Nessa etapa, a substância de trabalho expande-se um pouco e realiza trabalho sem receber calor.

III - Contração isotérmica: Nessa etapa, o volume do gás diminui, sua pressão aumenta e sua temperatura permanece constante, além disso, o gás perde calor para a fonte fria. Nessa etapa, realiza-se trabalho sobre o gás.

IV - Contração adiabática: O gás tem um rápido aumento de pressão e pouca diminuição de volume, mas não troca calor durante o processo.

Ciclo Otto

O ciclo Otto é uma sequência de transformações físicas sofridas por alguma substância de trabalho como a gasolina ou o etanol. Esse ciclo é amplamente usado nos motores a combustão interna que movem a maioria dos veículos de passeio. Apesar de não existir na prática, o ciclo Otto foi projetado para aproximar-se de um ciclo de Carnot. A figura a seguir mostra quais são as etapas do ciclo Otto.

O ciclo Otto é o ciclo dos motores movidos a gasolina.

I - Processo 0-1: Admissão isobárica: Nesse processo, uma mistura de ar e gasolina é admitida pelo motor a uma pressão constante;

II - Processo 1-2: Compressão adiabática - Nesse processo, há um rápido aumento de pressão que é exercida pelos pistões do motor, de modo que não haja tempo para que ocorram trocas de calor;

III - Processo 2-3-4: Combustão a volume constante (2-3) e expansão adiabática (3-4) - Uma pequena fagulha produz uma explosão controlada na mistura de ar e gasolina e, então, o pistão do motor desce rapidamente, provocando um aumento de volume e produzindo uma grande quantidade de trabalho;

IV - Processo 4-1-0: Exaustão isobárica - As válvulas de exaustão abrem-se e deixam a fumaça da queima do combustível sair pelo motor a uma pressão constante.

As etapas explicadas acima são mostradas na figura a seguir, que representa as etapas de funcionamento de um motor de quatro tempos, movido a gasolina ou álcool. O movimento do pistão em cada uma das posições mostradas equivale aos processos descritos:

Exemplos de máquinas térmicas

São exemplos de máquinas térmicas:

Maquinas térmicas e a Revolução industrial

As máquinas térmicas desempenharam um papel de grande importância para o desenvolvimento tecnológico da sociedade. Depois de aperfeiçoadas por James Watt, as máquinas térmicas movidas a vapor permitiram que a Revolução Industrial acontecesse, mudando o mundo de forma radical.

Gostaria de saber mais sobre esse assunto? Acesse o nosso texto sobre a Revolução Industrial.

Refrigeradores

Os refrigeradores, ou máquinas frigoríficas, são máquinas térmicas invertidas. Nesses dispositivos, é necessário que se realize um trabalho sob o gás no interior do motor para que ele se expanda ao absorver calor das vizinhanças. São exemplos de refrigeradores: geladeiras, freezers e ar-condicionado.

Se você quiser saber mais sobre o funcionamento desse tipo de máquina, acesse o nosso texto sobre o funcionamento e propriedades dos refrigeradores.

Exercícios sobre máquinas térmicas

Exercício 1) Uma máquina térmica recebe 500 J de calor de uma fonte quente a cada ciclo de operação. Se essa máquina dissipar 350 J de calor para o seu sorvedouro frio, qual será o seu rendimento energético em porcentagem?

O exercício fornece as quantidades de calor necessárias para máquina operar durante um ciclo, portanto, podemos determinar o seu rendimento utilizando a fórmula que relaciona Q Q e Q F, veja:

O cálculo acima indica que somente 30% da energia térmica da qual o motor dispõe a cada ciclo é transformada em trabalho mecânico.

Exercício 2) Uma máquina que opera segundo o ciclo de Carnot tem as temperaturas de sua fonte quente e fria de 600 k e 400 k, respectivamente. Essa máquina dissipa 800 j de calor para sua fonte de menor temperatura a cada ciclo. Calcule a quantidade de calor quente absorvido pela máquina a cada ciclo e o seu rendimento em porcentagem e em seguida, assinale a alternativa correta.

Primeiramente, vamos calcular o rendimento da máquina térmica em questão. Para tanto, utilizaremos as temperaturas das fontes quente e fria:

Usando os valores de temperatura informados no enunciado, temos que resolver o seguinte cálculo:

Para calcularmos a quantidade de calor que a máquina absorve a cada ciclo é simples, basta usarmos o teorema de Carnot:

Para resolvermos o cálculo, basta substituirmos os dados do exercício na fórmula acima.

Por Me. Rafael Helerbrock

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Máquinas térmicas: o que são, mapa mental e mais - Brasil Escola

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Você sabe o que são máquinas térmicas, ciclos termodinâmicos e rendimento? Aprenda mais sobre esses importantes conceitos da Termodinâmica.

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-As pessoas têm mais opções para se comunicar;
-Elas podem enviar e-mails, mensagens de texto, fazer chamadas de vídeo e até mesmo se conectar em redes sociais.

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Esse equilíbrio faz com que o clima permanece relativamente constante, o que proporciona condições para que haja vida na Terra.

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Gerou grandes oportunidades para as empresas inovarem em seus processos produtivos, a fim de facilitar o trabalho humano, aumentar a produção e otimizar o tempo.

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Qual a importância da temperatura para a vida na Terra?

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Qual a importância da temperatura para a vida na Terra?

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O efeito estufa é um efeito natural e necessário. Sem ele, a temperatura na Terra seria, em média, 33°C mais baixa, tornando impossível a vida na Terra. Pois ele é responsável em  manter as temperaturas médias globais, evitando que haja grande amplitude térmica e possibilitando o desenvolvimento dos seres vivos.

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O derretimento das calotas polares e o consequente aumento do nível do mar. Isso acontece devido à elevação da temperatura terrestre devido ao aumento da capacidade da atmosfera de absorver o calor provindo do sol.

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Desde que se tem conhecimento, a tecnologia vem auxiliando no desenrolar e avanço de nossa sociedade, seja ela implementada na transformação de uma cidade inteira ou uma simples modificação utilizada no nosso dia a dia.

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A inundação das cidades costeiras, a desertificação de áreas férteis, o derretimento de massas glaciais e a proliferação de furacões devastadores.

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O efeito estufa é responsável por manter a temperatura média do planeta, mantendo, portanto, a Terra aquecida e evitando que a temperatura não baixe drasticamente.

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Fontes: file:///C:/Users/gabriela_boselo/Downloads/ciencias_7o_ano_3%20(1).pdf

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importância do equilíbrio termodinâmico para o funcionamento de máquinas térmicas

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importância do equilíbrio termodinâmico para o funcionamento de máquinas térmicas

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Desde a primeira Revolução Industrial, no século XVIII, o trabalho humano começou a alterar sua dinâmica, uma vez que se iniciou a inserção de máquinas nas indústrias e se substituiu o modo de produção doméstico.

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O efeito estufa é um fenômeno natural que permite que o planeta se mantenha em uma temperatura adequada para a manutenção da vida.

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O avanço tecnológico gerou grandes oportunidades para as empresas inovarem em seus processos produtivos, a fim de facilitar o trabalho humano, aumentar a produção e otimizar o tempo.

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O efeito estufa é o mecanismo que ocorre com a ação de gases que retêm calor na atmosfera do planeta,

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Desenvolvimento de novos materiais e tecnologias (como automação e informatização).

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Desenvolvimento de novos materiais e tecnologias (como automação e informatização).

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Qual a importância do equilíbrio termodinâmico? 

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Qual a importância do equilíbrio termodinâmico? 

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O equilíbrio termodinâmico tem um pape importante na vida terrestre. Pois sem a presença dos gases estufa na atmosfera terrestre, grande parte da radiação térmica  do planeta o deixaria, propagando-se para o espaço.

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Importância do equilíbrio termodinâmico para a manutenção da vida na Terra

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Importância do equilíbrio termodinâmico para a manutenção da vida na Terra