Tópico.07 Máquinas Térmicas. MÁUINAS TÉRMICAS É qualquer dispositivo que, trabalhando entre duas fontes térmicas ( fria e quente ), faz a conversão de calor em trabalho mecânico. Máquinas a vapor e motores de combustão interna são exemplos de máquinas térmicas. Fonte uente T Máquina Térmica Fonte Fria T Onde: é o calor fornecido pela fonte quente é o calor rejeitado à fonte fria é o trabalho realizado = +. RENDIMENTO () DE UMA MÁUINA TÉRMICA Como = + e = -, teremos: ou 3. MÁUINA DE CARNOT Em 84 o engenheiro francês Sadi Carnot idealizou uma máquina térmica de rendimento máximo. Carnot afirmava que o rendimento dessa máquina térmica era função exclusiva das temperaturas absolutas das fontes quente (T ) e fria (T ) e que deveria operar segundo o chamado CICLO DE CARNOT.
4. CICLO DE CARNOT O Ciclo de Carnot, independente da substância, é constituído de quatro processos: A B : Expansão isotérmica em que o sistema recebe uma quantidade de calor da fonte quente. B C : Expansão adiabática na qual não há troca de calor com as fontes térmicas. C D : Compressão isotérmica em que o sistema cede uma quantidade de calor à fonte fria. D A : Compressão adiabática na qual não há troca de calor com as fontes térmicas. OBSERVAÇÃO Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor retirada da fonte quente e a rejeitada à fonte fria são proporcionais às suas temperaturas absolutas (Escala Kelvin). T T 5. RENDIMENTO DE UMA MÁUINA DE CARNOT e T T T T Onde: T é a temperatura absoluta da fonte quente. T é a temperatura absoluta da fonte fria. OBSERVAÇÃO O rendimento de 00% é impossível de se obter, mesmo em uma máquina de Carnot, pois, para se obter esse rendimento ( = ), a temperatura da fonte fria deveria ser de 0K (zero absoluto).
5. MÁUINAS FRIGORÍFICAS São máquinas térmicas que transferem calor da fonte fria para a fonte quente. Os refrigeradores (geladeiras) são exemplos de máquinas frigoríficas. Como a transferência de calor da região de menor temperatura para a região de maior temperatura não é espontâneo é necessário a realização de trabalho externo, portanto, as máquinas frigoríficas convertem trabalho em calor.
Tópico.08 Propagação do Calor. PROPAGAÇÃO DO CALOR A experiência mostra que o calor pode se deslocar de uma região para outra região de um corpo; além disso, o calor pode passar de um corpo a outro, quer estes corpos estejam em contato ou não. Esse fenômeno recebe o nome de propagação do calor. O calor pode se propagar de três maneiras diferentes: CONDUÇÃO, CONVECÇÃO e IRRADIAÇÃO. Embora esses processos tenham características diferentes, eles têm uma coisa em comum: O calor se propaga sempre de uma região de maior temperatura para outra de temperatura mais baixa, ou de um corpo para outro que esteja à temperatura mais baixa.. CONDUÇÃO O calor se propagapor condução quando passa de uma regiãopara outra de um corpo, ou de um corpo para outro com o qual está em contato, sem que haja deslocamento das moléculas constituintes dos corpos. Portanto, nesse processo há transporte de energia sem arraste de matéria. Do ponto de vista microscópico, a condução do calor pode ser explicada da seguinte maneira: numa determinada região do corpo a energia posta em jogo provoca uma agitação maior das moléculas dessa região. Devido aos incessantes choques entre essas moléculas e as moléculas adjacentes, a energia é transmitida para essas últimas, que assim se aquecem; esse fenômeno se repete, provocando o transporte de energia ao longo do corpo... BONS CONDUTORES E MAUS CONDUTORES OU ISOLANTES TÉRMICOS Nos sólidos as moléculas estão mais próximas que nos líquidos e nos gases, por isso os sólidos conduzem o calor melhor que os líquidos, sendo os gases os piores condutores de calor. Entre os sólidos os melhores condutores são os metais. No entanto nem todos os sólidos e nem todos os metais são bons condutores de calor. Entre os metais, os melhores condutores são, em ordem decrescente: prata, cobre, ouro e alumínio. Por outro lado, os piores condutores são o chumbo e o bismuto. Os líquidos e gases são maus condutores de calor. Sólidos como a madeira, a borracha, a cortiça, o isopor e o gelo conduzem mal o calor. Os maus condutores de calor também podem ser chamados de isolantes térmicos. A grandeza física que quantifica a natureza do material no que tange à propagação do calor por condução térmica é o coeficiente de condutibilidade térmica ou condutividade térmica (K). Assim, os materiais cujos coeficientes de condutibilidade térmica são elevados são bons condutores (metais em geral) e os de baixos coeficientes são maus condutores ou isolantes térmicos (gelo, vidro, ar seco etc.)... FLUXO DE CALOR () No aquecimento de um corpo, geralmente, usa-se uma fonte térmica de potência constante, isto é, a fonte fornece ao corpo uma quantidade de calor por unidade de tempo. Assim, o fluxo de calor () é definidopela relação da quantidade de calor () que atravessa uma superfície (de área A) em relação a um respectivo intervalo de tempo (t). t
Unidades: OBSERVAÇÃO.3. LEI DE FOURIER No S.I.: J/s = W(watt) Usuais: cal/s, cal/min etc. uando o fluxo de calor permanece constante no decorrer do tempo dizemos que a condução térmica do calor ocorre em REGIME ESTACIONÁRIO. Analisando experimentalmente o problema da condução do calor, Fourier estabeleceu a seguinte lei empírica: O transporte do calor por convecção, em um meio, consisteessencialmente no deslocamento de moléculas de diferentes massas específicas (densidades), de uma região para outra desse meio. Ao contrario do que ocorre no porcesso de condução, a convecção se caracteriza pelo arraste de matéria. Devido a esse arraste, a convecção não pode ocorrer nos sólidos, sendo um processo característico dos fluidos (líquidos e gases). Ao aquecermos um líquido contido em um recipiente, as porções situadas no fundo recebem calor em primeiro luguar e, em consequência, apresentam aumento de volume do qual decorre uma diminuição da massa específica. As porções menos ensas se deslocam para dar luguar às mais densas, ocorrendo a formação de correntes de partículas aquecidas de baixo para cima. Essas correntes são denominadas correntes de convecção. São favorecidas pela variação de massa específica, e levam o calor do fundo do recipiente para todas as partes do líquido. Em um regime estacionário de condução do calor, o fluxo de calor (), num material homogêneo é diretamente proporcional à área da secção transversal (A), à variação de temperatura () e ao coeficiente de condutibilidade térmica (K), sendo inversamente proporcional à espessura (e) ou à menor distância entre os extremos de temperarura. De maneira análoga são formadas correntes de convecção nos gases. É o que ocorre, por exemplo, no interior de um refrigerador. K.A. e e A O ar na proximidade do congelador é resfriado, ocorrendo o aumento de sua massa específica, e por isso o ar tende a descer, deslocando o ar mais quente, que se aproxima do congelador e é, por sua vez resfriado. Estabelecem-se assim as correntes de convecção dentro da geladeira. Note que as preteleiras das geladeiras são sempre em forma de grade, exatamente para facilitar a circulação das correntes de convecção. Unidades de K: No S.I.: J/s.m.K = W/m.K Usual: cal/s.cm.ºc 3. CONVECÇÃO
Nas regiões litorâneas, durante o dia a terra se aquece mais que a água do mar. O ar quecido sobe, e forma uma região de baixa pressão, permitindo o movimento do ar que se encontra sobre o mar para essa região. Fala-se então em brisa marítma. Durante a noite, a terra se torna mais fria que a água do mar, provocando a inversão do processo. Sopra então vento da terra para o mar. Fala-se então em brisa terreste. 3. IRRADIAÇÃO OU RADIAÇÃO TÉR- MICA No início deste tópico, mostramos que na condução e na convecção há a necessidade de um meio material para a propagação do calor. No entanto o calor proveniente do Sol chega até a Terra, ou seja, o calor está se propagando no vácuo. Neste caso, temos a irradiação térmica, que é a propagação do calor sem a necessidade do meio material. A propagação do calor ocorre por meio de ondas eletromagnéticas na faixa do infravermelho. Os raios infravermelhos têm inúmeras aplicações científicas, tecnológicas, industriais, médicas e mesmo domésticas. A radiação infravermelha é usada em instalações de secagem rápida de pinturas, em aplicações medicinais para a cura de contusões musculares e servem como ativadores (catalizadores) de reações químicas que se dão com absorção de energia. As estufas de plantas constituem uma importante aplicação das propriedades dos raios infravermelhos. Elas possuem uma cobertura de vidro que permite a passagem da radiação luminosa proveniente do Sol. A energia associada a essa radiação é absorvida pelas plantas e posteriormente, liberada sob forma de radiação infra-vermelha. O sistema de resfriamento de um ambiente por aparelhos de ar condicionado também são baseados em correntes de convecção. O aparelho é instalado na parte superior do ambiente lançando ar frio, mais denso, que desce resfriando o ambiente mais rapidamente. O ar mais quente, menos denso, sobe é resfriado e desce novamente estabelecendo as correntes de convecção. No entanto, devido a sua frequência, esta radiação infravermelha não atravessa o vidro. Ela é refletida e permanece no interior da estufa, mantendo o ambiente interno numa temperatura maior que a externa. Dizemos que o vidro é transparente para a luz e opaco ou atérmano para o calor. Ns Terra ocorre um fenômeno denomindado efeito estufa : o vapor d água e o dióxido de carbono presentes na atmosfera terrestre formam uma camada transparente para a luz solar, mas é sensivelmente opaca à radiação infravermelha emitida pela Terra aquecida. Isso impede que a Terra perca, sobretudo a noite, uma quantidade exagerada de calor irradiado
para o espaço. Se isso é bom por um lado, pode ser ruim por outro. Como se sabe, vem aumentando, gradativamente, com o passar dos anos a quantidade de dióxido de carbono (gás carbônico) na atmosfera, intensificando o efeito estufa, o que eleva, assim, indesegavelmente, a temperatura da Terra. 3. A GARRAFA TÉRMICA (VASO DE DEWAR) A garrafa térmica é um recipiente utilizado para conservar líquidos quentes ou frios, impedindo ou, pelo menos, minimizando as trocas de calor entre o conteúdo do recipiente e o meio externo. Desta meneira, a temperatura no interior do recipiente se mantém, com pequenas variações, por um período de tempo relativamente longo. O princípio de funcionamento da garrafa térmica é o de impedir a transferência de calor, seja por condução, convecção ou irradiação. Para evitar a condução e a convecção, o recipiente é constituído com pareddes duplas e faz-se vácuo entre elas (para ocorrer a condução ou a convecção há a necessidade de um meio material). Para evitar a irradiação, as faces internas e externas do recipiente são espelhadas o que reflete a radiação infrevermelha.