Termodinâmica II

Transformações Cíclicas

Uma transformação cíclica ocorre quando o estado inicial do sistema coincide com o estado final. Em um diagrama de pressão por volume a curva que representa essa transformação é fechada, como representado na figura abaixo.

O cálculo da área dentro da curva dará o valor numérico do trabalho realizado no ciclo. Esses ciclos podem ser apresentados nos sentidos horário ou anti-horário. 
As transformações cíclicas são extremamente importantes para o nosso cotidiano, pois as máquinas térmicas que utilizamos diariamente, como o motor do automóvel e a geladeira, funcionam desta maneira.

Segunda Lei da Termodinâmica

Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: energia nuclear, elétrica, mecânica, solar dentre outras, e é possível transformá-las integralmente em calor. Quando lixa uma mesa, através do atrito, você transforma integralmente o trabalho em calor com muita facilidade.

O processo inverso, ou seja, transformar o calor em trabalho não é tão simples e está sujeito a certas restrições. Dessas restrições veio a segunda lei da termodinâmica que pode ser enunciada da seguinte forma: 

 Não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente o calor em trabalho. 

Em outras palavras, é impossível construir uma máquina térmica com 100% de eficiência. 

Máquinas térmicas

Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura abaixo.

É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação: 

Uma imposição da segunda lei da termodinâmica é que nenhuma máquina térmica tem rendimento de 100%, por isso vale a seguinte condição: 

Como a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espontâneo, o rendimento de uma máquina térmica é baixo. 

Será possível estimar o rendimento máximo de uma máquina térmica se soubermos os valores das temperaturas das fontes quente e fria. Esse rendimento foi demonstrado pelo engenheiro Nicolas Sadi Carnot, que propôs a seguinte relação: 

Observe que para termos um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa.

Motores a combustão

Historicamente, o primeiro motor desse tipo foi construído em 1867, pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto e foi baseado nas antigas máquinas a vapor. Esse tipo de motor é constituído de duas partes principais, o carburador e o cilindro.

Nos automóveis atuais, o carburador foi substituído pela injeção eletrônica, que é responsável por uma mistura mais eficiente de oxigênio e gasolina. O funcionamento desses equipamentos pode ser resumido em quatro etapas e por isso eles são chamados de motores de quatro tempos. Observe a figura abaixo. 

Primeiro tempo, a admissão 

A válvula de admissão é aberta e o pistão aspira a mistura de ar e gasolina. 

Segundo tempo, a compressão

A válvula de admissão é fechada, e a mistura é comprimida pelo pistão.

Terceiro tempo, a explosão

Na parte superior do cilindro está a vela que provoca uma faísca e uma explosão da mistura. Esta explosão aumenta a pressão do gás que empurra o pistão para baixo enquanto que a sua temperatura cai de maneira significativa. Durante esse processo, as válvulas de admissão e escape permanecem fechadas. 

Quarto tempo, o escape

A válvula de admissão permanece fechada, enquanto que a de escape se abre. Os gases residuais da explosão saem por essa válvula e pelo tubo de escapamento. 

Máquinas térmicas - Link de Funcionamento virtual