MÁQUINAS TÉRMICAS – A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

MÁQUINAS TÉRMICAS – A SEGUNDA LEI  DA TERMODINÂMICA

            O que é uma máquina térmica: Os cientistas conseguiram estabelecer definitivamente que p calor é uma forma de energia. Entretanto, sabia-se, desde a Antiguidade, que o calor podia ser usado para produzir vapor e este era capaz de realizar um trabalho mecânico, Esta ideia foi usada pelo inventor grego Heron, que no século I d.C. construiu o dispositivo a vapor formado pelo aquecimento da água, ao escapar pelos orifícios , colocava em rotação um esfera de metal.

            Em linguagem moderna, dizemos que este aparelho de Heron  é uma máquina térmica, isto é , uma dispositivo que transforma calor em trabalho mecânico, Entretanto,a máquina de Heron não foi usada com objetivo prático, para produzir grandes quantidades de energia mecânica, Somente no século XVIII vieram a ser construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de realizar trabalho em escala industrial.

A  MÁQUINA DE WATT

            As primeiras máquinas térmicas, inventadas no século XVIII, além de bastante precárias, apresentavam rendimentos muito baixo, isto é , consumiam grande quantidade de combustível para produzir um trabalho relativamente pequeno.

            Por volta de 1770, o inventor escocês James Watt apresentou um novo modelo de máquina térmica que veio substituir, com enormes vantagens, as máquinas existentes. O vapor formado na caldeira a alta pressão penetra no cilindro através da válvula A, que está aberta ( neste momento ,a válvula B está fechada). O pistom é , então empurrado pelo vapor, colocado em rotação uma roda a ele acoplada. Quando o pistom se aproxima da extremidade do cilindro, a válvula A é fechada e B é aberta, permitindo o escapamento do vapor para o condensador, o qual PE continuamente resfriado por um jato de água fria, Assim , o vapor se condensa, ocasionando um queda de pressão no interior do cilindro, fazendo com que o pistom retorne à sua posição inicial. A válvula B é , então fechada , enquanto A é aberta, permitindo nova admissão de vapor no cilindro ,repetindo-se o ciclo. Desta maneira, a roda acoplada ao pistom se manterá continuamente em rotação.

            A máquina de Watt foi inicialmente empregada para movimentar moinhos e acionar as bombas que retiravam água de minas subterrâneas e, posteriormente, nas locomotivas e barcos a vapor. Além disso, a máquina a vapor passou a ser amplamente usada nas fábricas para acionar os mais diversos dispositivos industriais, dando origem a um grande surto de desenvolvimento nesta área, sendo, por isso, considerada como um dos fatores que provocaram a chamada Revolução Industrial no século passado.

1ª LEI DA TERMODINÂMICA ( CONSERVAÇÃO DA ENERGIA)

1ª LEI DA TERMODINÂMICA ( CONSERVAÇÃO DA ENERGIA)

            Quando uma quantidade de calor Q é absorvida ( Q positivo) ou  cedida ( Q negativo) por um sistema e um trabalho T é realizado por este sistema ( T positivo ) ou sobre ele ( T negativo), a variação da energia interna, ΔU, do sistema é dada por

                                               ΔU= Q - T

CALOR ESPECÍFICO E TEMPERATURA AMBIENTE

Calor específico e temperatura ambiente

                Quanto maior o calor específico de uma substância, menos ela se aquece ao receber certa quantidade de calor. A água é uma das substâncias que apresentação calor específico de valor mais elevado. Por essa razão, certa massa de água ( logo, rio, piscina etc.),ao receber calor do Sol, sofre  pequenas variações em sua temperatura, em comparação com outros objetos situados em sua vizinhança. Ainda pelo mesmo motivo, quando a Sol se põe, isto é, quando a água e os outros objetos liberam calor para o ambiente , o resfriamento da água é muito mais lento que o daqueles objetos, assim, é fácil entender por que é tão agradável mergulhado na água num dia muito quente.

                Por outro lado, como a areia tem um calor específico muito pequeno, ela se aquece e se resfria com facilidade. Por isso, nos desertos, embora os dias sejam excessivamente quentes, as noites costumam apresentar temperaturas muito baixas.

Fonte: Luiz,Antônio Máximo Ribeiro da,Beatriz Alvarenga Álvares, Física 1 vol 2- São Paulo;Scpione,2006

AS CORRENTES DE CONVECÇÃO

As correntes de convecção

                Atmosferas, ao se moveram para cima ( ar mais quentes),costumam ser aproveitadas por alguns pássaros,aviões planadores(sem motor) e asas-deltas para ganharem altura, planando em seguida (perdendo altitude), até encontrarem outra corrente de convecção ascendente. Desta maneira, estes dispositivos conseguem percorrer enormes distancias m sem consumo de combustível próprio.

Conde Rumford( 1753 – 1814)

Conde Rumford( 1753 – 1814)

                Engenheiro americano que ,sendo leal à coroa britânica durante a revolução de Independência Americana, viu obrigado a se exilar na Inglaterra, onde trabalhou como alto funcionário do governo. Após se sagrado cavalheiro pelo Rei George III, recebeu permissão para trabalhar em uma fábrica de armas Munique. Nessa ocasião , ele iniciou estudos que o levara a questionar a teoria do calórico, lançando as bases da moderna teoria do calor como uma forma de energia.

UM VALOR NUMÉRICO PARA A VELOCIDADE DE UMA MOLÉCULA

No início do século XIX, o físico inglês Hohn Herapath, retomando a linha definida por Bernoulli, conseguiu estabelecer a seguinte relação matemática entre a pressão, p , de um gás, sua densidade , p, e a velocidade média, v ,de suas moléculas:

P = 1/3ρ v²        

                Esta equação foi apresentada, em nosso texto, sob a forma equivalente p = (1/3)( N/V) mv²  e representa um resultado muito importante. Ela permitiu a Herapath determinar a velocidade média de um gás, uma vez que os valores de  p e ρ podem ser obtidos experimentalmente. Para as moléculas do ar, por exemplo, Herapath obteve uma velocidade média de cerca de 300 m/s. Assim, pela primeira vez na historia da Física, foi obtida um valor numerico relacionado co a estrutura molecular da matéria.

                De modo semelhante ao que ocorreu com Bernoulli , o trabalho de Herapath não teve aceitação no meio científico da época , sendo sua publicação rejeitada pela Real Academia de Ciência de Londres.

DANIEL BERNOULLI E A TEORIA CINÉTICA

Daniel Bernoulli (1700-1782)

                Membro de uma família de matemáticos físicos suíços . Foi professor de matemática na Academia de Ciência da Rússia e , mais tarde, retornando à Suíça, lecionou Botânica. Anatomia e Física. Além de suas contribuições para o desenvolvimento da Teoria Cinética dos Gases, publicou um tratado sobre as marés Entretanto, seu trabalho de maior vulto foi realizado no campo da Hidrodinâmica ( estudo do escoamento dos fluídos).

DANIEL BERNOULLI E A TEORIA CINÉTICA

                Bernoulli. Baseado-se nos  estudos de Hook, admitiu que a pressão  de um gás deveria ser simplesmente o resultado das colisões dos átomos  ou moléculas contra as paredes do recipiente . Como esta hipótese, ele conseguiu facilmente i,a explicação para lei Boyle: reduzindo-se à metade o volume de um gás sua densidade duplica. Então , teremos um número de molécula duas vezes maior colidindo por segundo contra as paredes do recipiente , isto é , a pressão do gás se tronará duas vezes maior. Além disso, Bernoulli conseguiu mostrar matematicamente que a pressão do gás é proporcional ao quadrado da velocidade média das moléculas.

                Apesar da importância do trabalho de Bernoulli, que parece ter sido o primeiro passo na evolução matemática da moderna Teoria Cinética dos Gases, ele dói completamente ignorado pelos outros cientistas do século XVIII. Isto ocorreu, provavelmente, porque Newton havia sugerido um outro modelo para um gás com ao qual ele conseguia, também, explica a lei de Boyle: segundo Newton. Um gás seria constituído por partículas, em repouso, que se repeliam com forças inversamente proporcionais à distância entre elas. Devido ao grande prestígio que Newton desfrutava na época, os cientistas aceitação, praticamente se contestação qualquer idéias que houvesse sido proposta por ele.