Os motores térmicos são sistemas fundamentais na engenharia moderna, projetados para converter energia térmica em energia mecânica.
Esta conversão baseia-se nos princípios da termodinâmica e é conseguida através da transferência de calor de uma fonte quente para um dissipador frio. Sua aplicação é extensa, desde veículos até usinas de energia.
O que é uma máquina térmica?
Uma máquina térmica é um tipo de máquina que utiliza energia térmica gerada pela combustão de combustíveis como gasolina, diesel, ou mesmo recursos naturais como o calor solar, para produzir trabalho mecânico.
Este processo envolve a expansão de um fluido, como um gás ou líquido, que gera movimento.
Como funciona uma máquina térmica?
Existem muitos tipos de motores térmicos e cada um deles tem um funcionamento específico. No entanto, todos eles compartilham algumas características comuns:
- Absorção de calor : O motor recebe energia térmica de uma fonte de alta temperatura. Esta fonte pode advir da combustão de um combustível (como nos motores de combustão interna), do aquecimento do vapor (como nos motores a vapor) ou mesmo de processos naturais (como nos motores Stirling).
- Transformação em trabalho : Ao absorver calor, o fluido de trabalho (como ar, gás, vapor ou uma mistura deles) aumenta sua energia interna. Esse aumento provoca sua expansão, que é utilizada para realizar trabalhos mecânicos, como empurrar um pistão, girar uma turbina ou movimentar um eixo.
- Rejeição de calor : Após realizar trabalho, o fluido perde parte de sua energia térmica para um dissipador de baixa temperatura. Isto permite que o motor retorne ao seu estado inicial e o ciclo possa ser repetido.
Os motores térmicos funcionam através de ciclos repetitivos, que podem ser fechados (como o ciclo de Carnot ou Stirling) ou abertos (como os ciclos Otto e Diesel).
Em todos os casos, o segredo é a diferença de temperatura entre a fonte quente e o sumidouro frio, pois é essa diferença que impulsiona o processo.
Tipos de motores térmicos
Uma máquina térmica pode ser classificada de muitas maneiras diferentes. Em uma dessas classificações podemos distinguir entre:
- Motores de combustão interna : A combustão ocorre em uma câmara interna do próprio motor, onde são gerados os gases que produzem a expansão que provoca o trabalho. Por exemplo, motores de automóveis.
- Motores de combustão externa : São aqueles em que a combustão ocorre fora do motor. O calor liberado é transmitido a um fluido intermediário. Este fluxo intermediário produz energia mecânica. Por exemplo, a máquina a vapor, onde o fluido intermediário é o vapor d'água e o local de combustão é a caldeira, que fica fora do motor. Outro exemplo seriam os motores térmicos de usinas nucleares que utilizam energia nuclear para convertê-la em energia mecânica.
exemplos do dia a dia
Alguns exemplos de motores térmicos são os seguintes:
- Motor diesel : Utilizado em caminhões, ônibus, navios e alguns automóveis, funciona queimando diesel para gerar trabalho mecânico.
- Turbinas a gás : Comumente utilizadas em aviões e usinas de geração de energia, funcionam através da queima de gás natural ou combustíveis líquidos.
- Motor Stirling : Motor térmico de pistão que opera expandindo e comprimindo um gás, usado em aplicações como pequenos geradores de energia e algumas instalações solares.
- Máquina a vapor : Historicamente utilizada em locomotivas e navios, baseia-se na expansão do vapor d’água para movimentar pistões ou turbinas.
- Ciclo Rankine : Utilizado em usinas termelétricas, onde o vapor se expande em uma turbina para gerar eletricidade.
Diferenças entre um motor e uma máquina térmica
O conceito de máquina térmica é frequentemente confundido com o de máquina térmica. Esses termos estão relacionados, mas não são exatamente iguais.
Uma máquina térmica é um dispositivo ou sistema que funciona estabelecendo trocas de calor e trabalho com seu ambiente.
Para conseguir isso, a máquina transforma uma substância através de um processo cíclico ou de uma sequência de operações. Ao final de cada ciclo a substância retorna ao seu estado original e um novo ciclo se inicia.
Uma máquina térmica pode funcionar como motor, se converter calor em trabalho, ou como refrigerador ou bomba de calor, se converter trabalho em calor.