Os motores de calor estão à sua volta. Do carro que você dirige à geladeira, que mantém sua comida fresca até os sistemas de aquecimento e refrigeração de sua casa, todos funcionam com os mesmos princípios-chave.

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

Mas o mecanismo Carnot é apenas um exemplo de motor térmico, e muitos outros tipos atingem o mesmo objetivo básico. Aprender sobre como os motores térmicos funcionam e como fazer coisas como calcular a eficiência de um mecanismo térmico é importante para quem estuda termodinâmica.
O que é um mecanismo térmico?

Um mecanismo térmico é um sistema termodinâmico que converte energia térmica em energia mecânica. Embora muitos projetos diferentes se enquadram nesse cabeçalho geral, vários componentes básicos são encontrados em praticamente qualquer mecanismo térmico.

Qualquer mecanismo térmico precisa de um banho de calor ou de 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 fonte de calor). Além disso, deve haver um reservatório frio de baixa temperatura, bem como o próprio motor, que geralmente é o gás que se expande quando o calor é aplicado.

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

Ciclos termodinâmicos ou ciclos de motores são uma maneira genérica de descrever muitos sistemas termodinâmicos específicos que funcionam da maneira cíclica comum à maioria dos motores térmicos. O exemplo mais simples de um mecanismo térmico trabalhando com ciclos termodinâmicos é o mecanismo Carnot ou um mecanismo operando com base no ciclo Carnot. Essa é uma forma idealizada de motor térmico que envolve apenas processos reversíveis, principalmente 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 atrair uma mistura combustível-ar para o motor, que é comprimido adiabaticamente no segundo estágio e inflamado no terceiro.

Há um rápido aumento de temperatura e pressão, que trabalha no pistão através de expansão adiabática, antes da válvula de escape abrir, levando a uma redução na 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 motor. processo. O primeiro estágio envolve o aquecimento do gás para elevar a temperatura e produzir uma alta pressão, que move um pistão para fornecer um trabalho útil.

O pistão volta a subir e empurra o gás para um segundo cilindro, onde está resfriado pelo reservatório frio antes de ser comprimido novamente, um processo que requer menos trabalho do que o produzido no estágio anterior. Finalmente, o gás é movido de volta para a câmara original, onde o ciclo do motor Stirling se repete.
Eficiência de motores térmicos

A eficiência de um motor térmico é a razão entre a produção útil e a energia térmica ou térmica entrada, e 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 um mecanismo de calor perfeito, ele teria uma eficiência de 1 e converteria toda a energia térmica em trabalho utilizável, e se conseguisse converter metade dela, a eficiência seria 0,5. De uma forma básica, a fórmula pode ser escrita:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Energia térmica}}

Obviamente, é impossível para um motor térmico ter uma eficiência de 1, porque a segunda lei da termodinâmica determina que qualquer sistema fechado aumentará em entropia ao longo do tempo. Embora exista uma definição matemática precisa da entropia que você possa usar para entender isso, a maneira mais simples de pensar sobre isso é que ineficiências inerentes a qualquer processo levam a alguma perda de energia, geralmente na forma de calor residual. 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 Carnot eficiência. A equação para isso relaciona a temperatura do reservatório quente T
_{H e o reservatório frio T
C com a eficiência ( η
) do mecanismo.
η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

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

O importante a ser observado é que você maximize a eficiência dos motores térmicos, aumentando a diferença de temperatura entre o reservatório quente e o frio. Para um motor de automóvel, T
_{H é a temperatura dos gases dentro do motor quando queimados, e T
C é a temperatura em que eles são expulsos o motor.
Exemplos do mundo real - Motor a vapor}

O motor a vapor e as turbinas a vapor são dois dos exemplos mais conhecidos de um motor térmico, e a invenção do motor a vapor foi um evento histórico importante na industrialização da sociedade. Um motor a vapor funciona de maneira muito semelhante aos outros motores de calor discutidos até agora: uma caldeira transforma água em vapor, que é enviada 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, ficando mais frio no processo e, quando o pistão é totalmente empurrado para fora, o vapor restante é liberado para fora do cilindro. Nesse ponto, o pistão retorna à sua posição original (às vezes o vapor é direcionado para o outro lado do pistão para que ele também possa ser empurrado) e o ciclo termodinâmico começa novamente com mais vapor.

Esse design relativamente simples permite que uma grande quantidade de trabalho útil seja produzida a partir de qualquer coisa capaz de ferver água. A eficiência de um motor térmico com esse design depende da diferença entre a temperatura do vapor e a do ar circundante. Uma locomotiva a vapor usa o trabalho criado nesse processo para girar as rodas e impulsionar o trem.

Uma turbina a vapor funciona de maneira muito semelhante, exceto que o trabalho consiste em transformar uma turbina em vez de mover um pistão. Essa é uma maneira particularmente útil de gerar eletricidade devido ao movimento rotacional gerado pelo vapor.
Exemplos do mundo real - Motor de combustão interna

O motor de combustão interna funciona com base no ciclo Otto descrito acima, com faísca ignição utilizada para motores a gasolina e ignição por compressão utilizada para motores diesel. A principal diferença entre eles é a maneira como a mistura combustível-ar é inflamada, com a mistura combustível-ar sendo comprimida e, em seguida, inflamada fisicamente nos motores a gasolina e o combustível sendo pulverizado no ar comprimido nos motores a diesel, causando a ignição pela temperatura .

Além disso, o restante do ciclo Otto é concluído como descrito anteriormente: O combustível é aspirado para o motor (ou apenas ar para o diesel), comprimido, inflamado (por uma faísca para combustível e borrifando combustível no combustível). o ar quente e comprimido do diesel), que faz um trabalho utilizável no pistão por meio de expansão adiabática e, em seguida, a válvula de escape se abre para reduzir a pressão e o pistão empurra o gás usado.
Exemplos do mundo real - Bombas de calor, Condicionadores de ar e refrigeradores

As bombas de calor, os condicionadores de ar e os refrigeradores também funcionam em uma forma de ciclo de calor, embora tenham o objetivo diferente de usar o trabalho para movimentar a energia térmica ao invés de reverter. Por exemplo, no ciclo de aquecimento de uma bomba de calor, o refrigerante absorve o calor do ar externo por causa de sua temperatura mais baixa (como o calor sempre flui de quente para frio) e é então empurrado através de um compressor para aumente a pressão e, portanto, a temperatura.

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

No ciclo de resfriamento (como em uma unidade de ar condicionado ou em uma geladeira), o processo é executado essencialmente ao contrário. O refrigerante absorve a energia térmica da sala (ou dentro da geladeira) porque é mantido em temperatura baixa e, em seguida, é empurrado pelo compressor para aumentar a pressão e a temperatura.

Nesse momento, ele se move para na parte externa da sala (ou na parte traseira da geladeira), onde a energia térmica é transferida para o ar externo mais frio (ou para a sala circundante). O refrigerante é então enviado através da válvula para diminuir a pressão e a temperatura, lendo para outro ciclo de aquecimento.

Como o objetivo desses processos é o oposto dos exemplos de motores, a expressão para a eficiência de uma bomba de calor ou a geladeira também é diferente. Isso é bastante previsível na forma, no entanto. Para aquecimento:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

E para refrigeração:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Onde Os termos Q são para a energia térmica movida para a sala (com o índice H) e removida (com o índice C) e W
_{é a entrada de trabalho no sistema sob a forma de eletricidade. Novamente, esse valor é um número sem dimensão entre 0 e 1, mas você pode multiplicar o resultado por 100 para obter uma porcentagem, se preferir.
Exemplo do mundo real - Usinas ou centrais elétricas}

Centrais elétricas ou as usinas de energia são na verdade apenas outra forma de motor térmico, sejam elas geradoras de calor usando um reator nuclear ou queimando combustível. A fonte de calor é usada para mover turbinas e, assim, realizar trabalhos mecânicos, geralmente usando vapor de água aquecida para girar uma turbina a vapor, o que gera eletricidade da maneira descrita acima. O ciclo de calor preciso usado pode variar entre usinas de energia, mas o ciclo de Rankine é comumente usado.

O ciclo de Rankine começa com a fonte de calor elevando a temperatura da água e depois a expansão do vapor de água em uma turbina, seguido pela condensação no condensador (liberando calor residual no processo), antes que a água resfriada vá para a bomba. A bomba aumenta a pressão da água e a prepara para aquecimento adicional.