da escola pÚblica paranaense 2009 · revolução industrial e a evolução dos conceitos de calor...
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O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOSDA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE
2009
Produção Didático-Pedagógica
Versão Online ISBN 978-85-8015-053-7Cadernos PDE
VOLU
ME I
I
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
EDUCACIONAL - PDE
ÁREA: FÍSICA PROFESSOR PDE: EVA DE FÁTIMA GIL PROFESSOR ORIENTADOR: Msc. ARLINDO ANTONIO SAVI
.
DOURADINA-PARANÁ 2010
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DADOS DE IDENTIFICAÇÃO 1.Professora PDE: EVA DE FÁTIMA GIL
2.Área: FÍSICA
3.NRE: UMUARAMA
4.Professor Orientador IES: Msc ARLINDO ANTONIO SAVI
5.IES: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
6.Escola de Implementação: COLÉGIO ESTADUAL DOURADINA
7.Público-alvo: ALUNOS DA 2ª SÉRIE DO ENSINO MÉDIO
TEMA DE ESTUDO DO PROFESSOR PDE Termodinâmica TÍTULO Segunda lei da termodinâmica: Algumas relações com o cotidiano
PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA : Unidade Didática
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APRESENTAÇÃO
Esta unidade didática está voltada para o resgate da história e à evolução das máquinas
térmicas. A abordagem didático-pedagógica tem como objetivo tornar acessível aos
professores e alunos aspectos do desenvolvimento dos conceitos envolvidos na Segunda Lei
da Termodinâmica e relacioná-los às máquinas que fazem parte do cotidiano dos alunos. A
maioria dos livros didáticos apresenta o enunciado dessa Lei de maneira muito formal e
propõe a solução de problemas padronizados, com a aplicação de equações matemáticas. Faz-
se necessário a união desta Lei, imposta pela natureza, com situações do cotidiano do
envolvidos na aprendizagem de física. A associação da Segunda Lei da Termodinâmica ao
funcionamento dos veículos motorizados e dos refrigeradores é imprescindível, uma vez que,
esse procedimento favorecerá um conhecimento significativo que motive cada vez mais o
aluno pelo interesse da ciência.
Na Inglaterra, na segunda metade do século XVIII, o contexto social e econômico
favorecia o avanço do conhecimento físico, pois a incorporação das máquinas a vapor à
indústria trouxe mudanças no modo de produzir bens e contribuiu para grandes
transformações sociais e tecnológicas e também para o desenvolvimento da termodinâmica.
Essa primeira revolução industrial se fez mais com conhecimento técnico, e não pelos
homens da ciência. Mas a incorporação das máquinas à indústria uniu técnicos e cientistas na
busca pela compreensão da ciência do calor, para melhoria técnica das máquinas,
contribuindo para o avanço industrial.
O calor passou a ser entendido como uma forma de energia relacionada ao movimento,
o que possibilitou o estabelecimento das Leis da Termodinâmica.
Além de trabalhar questões como: O que é uma máquina térmica? O que um aparelho
que resfria alimento e fabrica gelo tem de semelhante com um motor de carro? A produção
didático-pedagógica, elaborada de acordo com o projeto de intervenção pedagógica na escola
“Segunda lei da termodinâmica: Algumas relações com o cotidiano” trazem a discussão da
evolução do trabalho humano ao longo da história, possibilitando ao aluno reconhecer a
utilização do calor para benefício do homem, além de fazer com que o educando seja capaz de
avaliar os impactos sociais e econômicos advindos da primeira Revolução Industrial, bem
como, o desenvolvimento dos conceitos de calor e temperatura através dos textos “Revolução
Industrial e a Termodinâmica” e “Calor e Temperatura”.
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A continuidade das atividades tem como base a proposta do Grupo de Reelaboração
do Ensino de Física (GREF). Utilizamos como fio condutor o desenvolvimento da
Termodinâmica, desde o desenvolvimento das primeiras máquinas térmicas, passando pela
Revolução Industrial e a evolução dos conceitos de calor e de temperatura até chegar a
definição da Segunda Lei da Termodinâmica.
REVOLUÇÃO INDUSTRIAL E SUA IMPORTÂNCIA PARA O
DESENVOLVIMENTO DA TERMODINÂMICA
O texto A Revolução Industrial e a Termodinâmica (RAFAEL, 2007), aborda a
questão da Termodinâmica como uma construção humana e sua relação com o contexto
cultural, social e econômico do período histórico em que a Revolução Industrial se
consolidou, bem como apresenta a história da ciência como instrumento facilitador para a
compreensão da construção e desenvolvimento da Termodinâmica.
Em principio o texto apresenta uma conceituação de Revolução Industrial, bem
como aborda as questões das mudanças de paradigma da economia agrária para a produção
mecanizada.
Também está exemplificado o desenvolvimento da máquina a vapor, desde o século
XVI até o século XIX, período de grandes e profundas mudanças sociais e econômicas, na
Europa, as quais foram concretizadas com o estabelecimento do modo de produção
capitalista marcado pelo rompimento da produção artesanal e doméstica, bem como a
organização do trabalho, através da divisão e da especialização das tarefas.
O texto apresenta a máquina a vapor como um aparelho que possibilitou a
transformação da energia de alguns combustíveis como a (energia química do carvão ou do
petróleo, nuclear do urânio, térmica) em energia mecânica.
O texto ainda destaca a importância de cientistas com Thomas Savery (1698) que
inventou a primeira máquina a vapor com sucesso comercial baseada num projeto de
Edward Somerset (1663).
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Sua invenção possibilitou o bombeamento de água das minas de carvão. Lembrando
que foi a criatividade desses homens que estimulou o desenvolvimento de máquinas mais
avançadas que podiam fazer muitos outros trabalhos e/ou atividades fabris diversas,
condução de locomotivas, barcos a vapor, e assim por diante.
Foi a partir desses novos inventos que se deu um estímulo enorme ao crescimento
industrial na Europa e na América e ajudou a transformar a estrutura econômica e social da
civilização ocidental. Isso fez com que o padrão de vida médio na Europa Ocidental e nos
Estados Unidos crescesse consideravelmente. Finalizando o texto aponta que, hoje, é difícil
pensar como era a vida antes da industrialização, mas essa é uma afirmação que pode trazer
alguma polêmica.
Portanto, foi nesse contexto social, econômico e político, enfim, histórico, que se
deu a evolução da Termodinâmica.
A palavra Revolução Industrial está ligada à mudança de uma economia agrária
manual para a produção mecanizada nas fábricas nas áreas urbanas. Essa revolução
transformou o trabalho manual para o realizado por máquinas. O trabalho que era braçal ou
animal passou para outras formas de energia, como a máquina a vapor ou de combustão.
Para exemplificar, a máquina a vapor, desenvolvida por James Watt na década de
1760, era usada para mover a maquinaria nos
moinhos têxteis. Os operadores dessas
máquinas movidas a vapor, fáceis de manejar,
eram Mulheres e crianças, pelo fato de que os
salários eram menores que os dos homens. Um
fator importante nesse contexto é que os
empresários que dispunham de muitos
operários nem sempre tendiam rapidamente
para a energia a vapor, visto que o trabalho dos
homens também era barato.
Fig. 1- Crianças trabalhando nas fábricas
A Revolução Industrial e a Termodinâmica
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Com o passar do tempo o novo sistema foi sendo adotado por todos o que tornou
ainda mais rápida a expansão.
Naquela época, uma das grandes contribuições das máquinas a vapor foi possibilitar
aos mineiros o bombeamento da água das
minas de carvão com mais eficácia e a um nível
muito mais profundo do solo. Isso foi
significativo para a mineração, no século XVII,
pois possibilitou às mineradoras ultrapassar
seus limites. Esse foi um grande passo para o
crescimento, uma vez que do século XII até o
século XVI, as florestas inglesas foram sendo
cortadas para se obter a lenha, combustível que aquecia as casas no inverno, e bem como
movimentava as indústrias que estavam sendo instaladas. Dessa forma, por não haver mais
lenha, no século XVII, os habitantes recorreram ao carvão de pedra. As minas de carvão, que
no início da exploração eram superficiais logo, foi necessário a abertura de buracos mais
profundos e galerias para se chegar às jazidas.
Pode-se dizer que o período entre os séculos XVIII e XIX foi de profundas
mudanças sociais e econômicas, na Europa, que foram concretizadas com o estabelecimento
do modo de produção capitalista. O rompimento da produção artesanal e doméstica começou
com uma pequena classe média urbana, inicialmente na Inglaterra, nos Países Baixos e ao
norte da Franca. A partir daí a ciência experimental passa a ser aplicada em diversos ramos do
conhecimento para propiciar as transformações nos meios de produção. Com isso, houve uma
melhor organização do trabalho, através da divisão e da especialização das tarefas. As
inovações tecnológicas resultantes do estabelecimento dos métodos da ciência experimental, a
exemplo da maquinaria têxtil, trazem para a prática um novo sistema de produção. Esse novo
modo de produção atinge rapidamente o comércio e
a agricultura. A Revolução Industrial e por
conseqüência as inovações tecnológicas tiveram
um papel significativo em relação à máquina a
vapor, porque foi o ponto de partida para o bom
êxito da indústria pesada, bem como para a
evolução dos meios de transporte.
Além desses fatores, a Revolução
Industrial constitui um estímulo à atividade Científica, pois estava voltada para problemas
Fig. 2- Minas Inglesas
Fig. 3 – Barco a vapor
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provocados pela indústria. Lembrando que é a partir daí que a Termodinâmica evolui. Sobre
isso Bernal, reflete sobre as conseqüências dessa interdependência político-sócio-econômicas
e conquistas Científicas:
Na realidade, quanto mais estreitas são as reações entre a ciência, a técnica, a
economia e a política do período, mais claramente se mostram a formação de um processo
único de transformação da cultura. Tal período é de capital importância para o progresso da
humanidade (R0CHA, p.141).
A Termodinâmica teve um importante papel neste processo de transformação, é por
isso que o período da Revolução Industrial se insere nitidamente nesta reflexão.
O trabalho que era feito pelas pessoas e por animais, ou obtido a partir do vento e da
água, não podiam ser utilizados facilmente em qualquer local e quando necessários. Foi no
século XVIII que a exploração das reservas de carvão, necessitou de um método econômico
para bombear a água das minas que ficavam inundadas, então através da máquina a vapor foi
possível desenvolver a esta necessidade prática.
A máquina a vapor é um aparelho que converte a energia de alguns combustíveis em
energia química do carvão ou do petróleo, nuclear do urânio, térmica e esta em energia
mecânica. A energia mecânica pode ser utilizada diretamente para produzir trabalho, por
exemplo, numa locomotiva a vapor, ou ser transformada em energia elétrica.
A utilização do calor para produzir vapor, podendo este depois produzir trabalho
mecânico já era conhecido desde quando a eolípila foi inventada por Heron de Alexandria
cerca de 100 anos a.C. Um processo parecido é o irrigador de jardim rotativo que trabalha do
mesmo modo, exceto que a força motora é devida à pressão da água em vez da pressão do
vapor.
A eolípila de Heron era usada como um brinquedo, e não para o trabalho útil. Foi a
partir do final do século XVIII que as máquinas a vapor passaram
ter interesse comercial.
Hoje, uma máquina a vapor usa reserva de calor para
produzir trabalho mecânico, mas nos séculos XVIII e XIX não
pensava no calor desta maneira. Os cientistas olhavam o calor
como uma substância fina, invisível, que podia ser utilizada
repetidamente para produzir trabalho sem se esgotar. A sequência
dos acontecimentos mostra que as primeiras máquinas a vapor
foram desenvolvidas por homens que se preocuparam menos com a ciência e mais em ganhar
dinheiro ou pelo menos com a melhoria e a segurança na exploração das minas. Bem mais
Fig. 4-Eolípila de Heron
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tarde foi que os cientistas tiveram o conhecimento prático do que trabalhava e a curiosidade
de como trabalhava. A partir daí fizeram novas descobertas em física.
Thomas Savery em (1698) inventou a primeira máquina a vapor com sucesso
comercial. Seu trabalho foi baseado num projeto de Edward Somerset (1663), apesar de sua
eficiência duvidosa tem-se notícias de sua utilização no bombeamento de água das minas de
carvão.
Em síntese, a máquina era formada por um grande cilindro de metal preenchido de
vapor vindo de um ebulidor. Uma válvula interrompia a entrada de vapor, enquanto o cilindro
era resfriado com jato de água à temperatura ambiente. Com o resfriamento, o vapor d'água se
condensava formando vácuo no seu interior, esse vácuo fazia que, por um tubo controlado por
outra válvula, fosse aspirada água de um posto distribuidor. Dessa forma, um novo ciclo se
iniciava quando outra descarga de vapor era introduzida, expulsando água residual. A
máquina servia ao propósito para o qual fora construída que era bombear água de minas de
carvão, que se inundavam com frequência devido à grande profundidade. Mas um dos
grandes problemas era lidar com o vapor em alta pressão e alta temperatura, visto que a falta
de um resfriamento eficiente do cilindro deve ter provocado uma série de acidentes
desagradáveis e reduzir a eficiência.
A criatividade estava muitas vezes a serviço da necessidade, logo, para falar da
máquina de Thomas Newcomen (1712), é preciso também falar do êmbolo de Denis Papin
(1690). Seu invento fazia com que a água que se condensava no interior do cilindro, o vácuo
produzido movesse o êmbolo no sentido contrário, na máquina de Savery esse movimento era
provocado pela ação da pressão atmosférica. Com a introdução de um êmbolo (criado por
Papin) que se move pela ação do vapor se estabeleceu uma assimetria entre o movimento de
entrada do vapor (rápido) e a influência da pressão atmosférica no retorno (lento).
Apesar da utilidade, um dos sérios
problemas da máquina de Savery era com o
controle da alta temperatura do vapor d'água. Mas
os problemas se amenizaram com o avanço da
técnica introduzida por Newcomen. A questão se
resolveu com a inclusão de um sistema de válvula
que permitia a entrada de vapor e água fria
alternadamente. O vapor entrava por um dos lados
do êmbolo, enquanto a água fria era injetada pelo
Fig. 5 – Máquina de Newcomen
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outro lado, sendo o ar produzido na ebulição expelido com a entrada do vapor.
Mas, observou-se que a máquina de Newcomen desperdiçava a maior parte do calor
no aquecimento das paredes do cilindro, que eram depois resfriadas sempre que a água fria
era injetada para condensar o vapor.
Assim, no inicio de 1765, Watt descobriu uma forma de evitar este desperdício,
criou um novo tipo de máquina a vapor, no qual o vapor contido no cilindro, depois de efetuar
o trabalho de empurrar o êmbolo, ia para um recipiente separado para ser condensado. Com
este sistema, o cilindro era mantido sempre quente e o condensador se mantinha sempre frio.
A máquina a vapor de Watt com condensador separado, superou a máquina de
Newcomen, foi que estimulou o desenvolvimento de máquinas mais avançadas que podiam
fazer muitos outros trabalhos e/ou atividades fabris diversas, condução de locomotivas, barcos
a vapor, e assim por diante. Esse novo invento deu um estímulo enorme ao crescimento
industrial na Europa e na América e ajudou
a transformar a estrutura econômica e social
da civilização ocidental.
Com certeza, o desenvolvimento
em larga escala de motores e de máquinas
revolucionou a produção em massa de
artigos de consumo, a construção e os
transportes. Com isso, o padrão de vida
médio na Europa Ocidental e nos Estados
Unidos cresceu consideravelmente. Hoje, é
difícil pensar como era a vida antes da
industrialização. Mas não se pode esquecer
que alguns dos efeitos da industrialização
não foram benéficos. O sistema de fábricas do século XIX oportunizou o surgimento de
patrões gananciosos e sem escrúpulos que exploraram os trabalhadores. Esses patrões tiveram
lucros exorbitantes, enquanto mantiveram os empregados e suas famílias à beira da miséria. A
situação fez com que novas leis tivessem que ser criadas para que fosse garantido o direito
dos trabalhadores. Foi o princípio do êxodo rural, a medida que as pessoas abandonavam os
campos para trabalhar nas fábricas o conflito entre a classe trabalhadora, constituída por
empregados e a classe média, constituída por patrões e quadros dirigentes, tornou-se mais
intenso. Por outro lado, alguns artistas e intelectuais começaram a atacar as tendências
materialistas da sociedade cada vez mais dominada pelo comércio e pela maquinaria. A
Fig.6- Máquina de Watt
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situação era tão complexa que em alguns casos, se confundiam a própria ciência com
aplicações técnicas e denunciavam ambas enquanto recusavam aprender algo sobre elas.
Mesmo as máquinas a vapor já não sendo tão utilizadas, atualmente, como fontes
diretas de energia na indústria e nos transportes, o vapor é ainda indiretamente a maior fonte
de energia. A turbina a vapor, inventada pelo engenheiro inglês Charles Parsons em 1884,
substituiu largamente outros tipos de máquinas a vapor mais antigas. Atualmente, é por meio
de turbinas a vapor que trabalham os geradores elétricos na maior parte das centrais elétricas.
Não pode esquecer que são os geradores elétricos movidos a vapor que fornecem a maior
parte de energia para a maquinaria da civilização moderna, mesmo nas centrais nucleares, a
energia nuclear é utilizada para produzir vapor que depois move as turbinas e os geradores
elétricos.
É bom lembrar que o princípio básico da turbina de Parsons é mais simples do que o
das máquinas de Newcomen e Watt: um jato de vapor a alta pressão toca as pás de um rotor,
fazendo-o mover a alta velocidade.
1- A partir da leitura do texto o que se compreende por Revolução Industrial?
2- De que inovação tecnológica fala o texto que está relacionado com a termodinâmica? Ela
surgiu espontaneamente ou por necessidade?
3-Revolução Industrial no século XVIII trouxe alguma implicação negativa para o meio
ambiente? E atualmente, o processo de industrialização afeta o meio ambiente?
4-Quais os gases emitidos pelas máquinas térmicas que poluem o meio ambiente?
a) No motor de automóveis:
b) No refrigerador:
5-Realizar uma pesquisa e confeccionar painéis: utilizando recortes de jornais, revistas,
fotografias, frases, textos e/ou poesias; que retrataram os temas abaixo relacionados:
Revolução Industrial e a Termodinâmica
Termodinâmica e Meio ambiente.
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CCAALL OORR EE TTEEMM PPEERRAATTUURRAA
Figura 07 - Disponível em:http://www.brasilescola.com/fisica/escalas-termometricas.htm Acessado em 06/07/10
Nos diálogos do dia-a-dia, é frequente as pessoas usarem a palavra calor. “Estou com
calor!”.“ O calor hoje está infernal!” Mas, também falam: “O frio hoje está demais!” “Estou
morrendo de frio!”. Então, o calor e o frio seriam mesmo elementos opostos de mesma
natureza? Seriam essas duas “coisas” responsáveis por parte de nossas intempéries? E o que
são o frio e o calor?
O objetivo dessa atividade é abordar de forma simplificada o assunto calor e
temperatura e proporcionar aos alunos um maior aprofundamento sobre o que é o calor e
procurar esclarecer a diferenciação dos conceitos de calor e temperatura. Para a realização
dessa atividade foram selecionados dois textos: Calor e Temperatura (Física um outro lado)
“Um interrogatório” de Aníbal Figueiredo e Maurício Pietrocola, e o texto Diferenciação dos
conceitos de calor e temperatura (SILVA, 1995). A proposta é os alunos fazerem a leitura
dos referidos textos com um encaminhamento dinâmico. O professor proporá “um
interrogatório com o calor” organizando a atividade em grupo. A sugestão é a representação
de partes do texto para que os alunos despertem para o assunto. O segundo texto também será
trabalhado em grupo. Os grupos farão à leitura, após a leitura responderão alguns
questionamentos e no final cada grupo apresentará seus relatos.
O que é temperatura? O que é calor?
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Hoje está quente! Estou recebendo muito calor do meio ambiente!
DDII FFEERREENNCCII AAÇÇÃÃOO DDOOSS CCOONNCCEEII TTOOSS DDEE CCAALL OORR
EE TTEEMM PPEERRAATTUURRAA
É comum usarmos os conceitos de calor e de temperatura como sinônimos, quando
são empregados indistintamente: “hoje está muito calor”, “ele queimou a mão porque a
panela passou temperatura” etc.
Esse contexto sintetiza o pensamento espontâneo encontrado nas falas diárias de
muitas pessoas (mesmo as escolarizadas!). Uma rápida olhada na história da ciência permite
reconhecer ideias semelhantes em pensadores da Antiguidade. De fato, o conceito de calor
era entendido na Grécia antiga por Aristóteles (384-322 a.C.) como sendo uma substância
que permeava a matéria ou ainda para Platão (427-347 a.C.) o fogo era um elemento que
ao penetrar na matéria, colocava as partículas do corpo em movimento, e para ser esfriado,
o ar iria expulsar o fogo e comprimir novamente as partículas. Já o conceito de temperatura
surge nos tratados do célebre médico Galeno (129-200), o qual afirmava que no corpo
humano há uma mescla (mistura) de calor e de frio e que o homem não possui quantidades
iguais desses elementos, sendo que os estados de doença eram determinados pelo
desequilíbrio dessa quantidade. Quando se traduziu as obras de Galeno para o latim, a
palavra mescla foi traduzida pela equivalente: temperatura. O sucesso desses tratados
médicos e a consequente repercussão alcançada fizeram aparecer a palavra temperatura,
nos discursos de todos os cientistas que vieram depois.
Assim temperatura por muito tempo passa a representar a medida do calor, o que
significava que os dois conceitos expressavam a mesma ideia. No século XVI, Francis
Bacon (1561-1626), propõe uma nova concepção do calor, qual seja, de que o calor era o
movimento vibratório das partículas de um corpo. Esta nova ideia é geradora de uma também
nova corrente de pensamento na física, da teoria mecânica do calor, a qual será desenvolvida
e modificada nos 200 anos seguintes, configurando como a mais aceita hoje em dia, em
detrimento da anterior que reconhecia o calor como substância.
Voltando ao propósito central deste texto, para todo cientista e pensador dos séculos
XVI e XVII, calor e temperatura eram conceitos idênticos, mesmo sendo adeptos de uma
ou de outra teoria. 0 aperfeiçoamento do termômetro no século XVIII, por Daniel
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Fahrenheit (1686-1736), permite que se possa medir a temperatura de forma muito precisa,
reforçado a ideia de que os conceitos eram iguais.
Foi só em 1760 que Joseph Black (1728-1799), realiza experiências muito precisas
para medir os pontos de ebulição da água e de fusão do gelo, observado que mesmo estando
a fornecer calor para uma massa de água ou de gelo, nestes pontos a temperatura não se
altera, o que implica em distinguir os dois conceitos. Nas palavras do próprio Black:
A fusão está universalmente considerada como produzida por uma pequena adição de
uma quantidade de calor a um corpo sólido, quando ele é aquecido até o seu ponto de fusão
e o retorno de tal corpo para o estado sólido depende de uma pequena diminuição da
quantidade de calor após ele ter esfriado de um mesmo número de graus. Acreditava-se que
esta pequena adição de calor ao corpo não fazia necessariamente o aumento de um pequeno
valor na temperatura de um corpo, indicada pela medida de um termômetro, colocado no
líquido resultante. [...] encontrei uma razão para desaprová-la, como inconsistente em relação
a muitos fatos observáveis quando atentamente considerados. [...] Quando o gelo ou outra
substância é fundida, eu penso que ele recebe uma grande quantidade de calor, maior que
aquela que é perceptível nele, imediatamente depois por meio de um termômetro. "Uma
grande quantidade de calor penetra a substância naquela ocasião sem aparentemente fazê-lo
mais quente”. Este calor, contudo deve ser introduzido para lhe dar forma de líquido e eu
afirmo que esta maior adição é a principal causa da liquefação produzida. Em outro trecho da
obra ele usa um argumento simples e convincente: "Se fosse suficiente uma quantidade muito
pequena de calor transmitida pelo ar, na primavera, para reduzir em água imensas quantidades
de gelo e neve, formados ao longo do inverno, assim a fusão seria operada em poucos minutos
e inevitavelmente iria produzir inundações catastróficas" (extraído da obra Lectures on the
Elements of Chemistry, de 1803).
Para entendermos o que Black quer dizer com essas palavras, devemos conotar que o
fato do gelo se fundir a uma temperatura constante já era conhecido, mas se acreditava que
uma pequena quantidade de calor era suficiente para transformar muito gelo em água
líquida. Black argumenta o contrário. Outro ponto importante é o cuidado que devemos ter
com as palavras do autor, pois ele foi um adepto do modelo substancialista do calor.
Após a aceitação da teoria mecânica (ou
cinética) do calor, passou-se a relacionar
temperatura ao grau de agitação das partículas de
um corpo, sendo uma medida média e
Calor é a energia térmica em movimento, que se transfere do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.
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macroscópica, tendo relação com o calor, mas não sendo a mesma coisa. Por fim, o calor,
após o estabelecimento da teoria mecânica será entendido como a energia que é
transferida de um corpo a outro, devido a uma diferença nos valores de temperaturas dos
corpos. Quando esta energia é recebida, fará aumentar a energia cinética das partículas do
corpo que recebeu.
a)Em seu dia a dia como utiliza os conceitos de calor e temperatura? São a mesma coisa?
b) Que tecido esquenta mais, lã ou jeans? Então o que vai acontecer se você pegar esta peça (lã ou jeans) e envolvê-la em uma garrafa com água de temperatura ambiente? ASSINALE A RESPOSTA CORRETA 1) Para se admitir a existência de calor: a) Basta um único corpo. b) São necessários, pelo menos, dois corpos com temperaturas diferentes.
c) Basta um único corpo, mas este deve estar “quente”.
2)Uma carteira escolar é construída com partes de ferro e partes de madeira. Quando você
toca a parte de madeira com a mão direita e a parte de ferro com a mão esquerda, embora todo
o conjunto esteja em equilíbrio térmico:
a) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor;
b) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção na madeira é mais notada
que no ferro;
c) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção no ferro é mais notada
que na madeira;
d) a mão direita sente menos frio que a esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor;
e) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a madeira conduz melhor o calor.
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AATTII VVII DDAADDEE 33
MÁQUINAS TÉRMICAS E A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Para a compreensão da Segunda Lei e a realização das próximas atividades algumas
definições são necessárias.
A primeira, o que é uma máquina térmica? Máquinas Térmicas são dispositivos que
operando em ciclos termodinâmicos:
(1) – realizam algum trabalho líquido à custa da transferência de calor de um corpo a uma temperatura elevada para outro a uma temperatura mais baixa ou,
(2) – transferem calor de algum corpo que está a uma temperatura baixa para outro a uma temperatura mais elevada à custa de um trabalho externo (Figura 8). A figura 8-a esboça o funcionamento de um motor. Combustível é transformado em energia,
na forma de calor, parte dessa energia faz com que um móvel se locomova e outra parte é
transferida para o ar atmosférico. Na figura 8-b, o esboço é o de um refrigerador. Utilizamos
energia elétrica, na forma de trabalho, para transferirmos calor de um lugar que está frio,
dentro do refrigerador, para um local que está mais quente, o ambiente da cozinha.
De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica ∆E = Q – W. Tendo em vista que
tanto um motor como um refrigerador funcionam em ciclos, 0E =∆ , ou seja, WQ =
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combustível
ar atmosférico/radiador
motor
espaçorefrigerado
cozinha
energia elétrica
W
Q E
SQ Q E
SQ
W
temperaturaalta
temperaturabaixa
a b
Figura 8 - Digramas esquemáticos de um motor e um refrigerador.
A segunda definição é decorrente da primeira resposta. O que é “operando em ciclo
termodinâmico”? Operar em ciclo termodinâmico é fazer um sistema sair de um estado inicial
de equilíbrio, sofrer uma série de transformações termodinâmicas e voltar para este mesmo
estado inicial de equilíbrio. É por isso que 0E =∆ . A energia que o sistema possui no estado
inicial tem que ser igual a energia que ele chega nesse estado, caso contrário o sistema não
completa o ciclo.
Para um sistema que executa um ciclo, existem somente duas hipóteses para as
grandezas Q e W.
Hipótese 1 Q = W > 0 (positivos). [MOTORES]
Quando Q = W > 0, convencionalmente, esta expressão indica que calor está sendo
fornecido para o sistema e que trabalho está sendo realizado pelo sistema. Mostraremos
através de um exemplo como estas formas de energia atuam em um sistema que executa um
ciclo. Cabe ressaltar que esta interpretação vale para qualquer ciclo.
A figura 9 apresenta um ciclo, idealizado, de um motor composto por duas
transformações adiabáticas e duas transformações isovolumétricas.
Em um motor, certa quantidade calor QE é transferida de um reservatório quente, a alta
temperatura, para um sistema capaz de realizar trabalho útil, e certa quantidade calor QS é
transferida para um reservatório frio.
17
P
V
1
4
2
3
QE
QS
Q = W =QE - QS
W
Figura 9-Ciclo idealizado de um motor que opera com um gás ideal.
Do estado 1 até o estado 2 (adiabática), o sistema realiza trabalho sobre o meio exterior
(ou simplesmente, o trabalho é realizado pelo sistema); do estado 3 até o 4 (outra adiabática),
o meio exterior realiza trabalho sobre o sistema. O trabalho total W realizado pelo sistema
para completar um ciclo é dado pela diferença entre estas duas quantidades, ou seja, pela área
hachurada formada pelo ciclo. Observe que nos processos isovolumétricos 32 → e 14 → , o
trabalho mecânico é nulo ( 0dV = ).
Considerando que as transformações 21→ e 43→ são adiabáticas, não existe troca
de calor entre o meio exterior e o sistema. Quando o sistema evolui do estado 2 para o 3, calor
é transferido dele para o meio exterior, e vamos denominar esta quantidade de QS (negativo).
Por outro lado, para evoluir do estado 4 até o estado 1, calor entra no sistema, e nós vamos
chamar esta quantidade de QE (positivo). De acordo com esta nomenclatura, a quantidade de
calor Q para o sistema realizar este ciclo é igual à sE QQ − , com QS sendo diferente de zero,
pois senão o sistema não completa o ciclo. Voltando à lei de conservação de energia aplicada
no ciclo, escrevemos:
SESE QWQWQQQ +=∴=−= (1).
Esta expressão mostra que a energia QE, entrando no sistema na forma de calor, apenas
uma parte dela pode ser utilizada para realizar trabalho, uma vez que uma fração desta energia
QS tem que, necessariamente, ser transferida para o meio exterior.
Agora, é conveniente introduzir o conceito de eficiência térmica para uma máquina que
opera em ciclos. A eficiência é definida como a razão entre o que é produzido (trabalho útil,
W) e o calor que é transferido do reservatório quente (energia QE):
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Etérmica Q
W
custo
benefício==η (2).
Usando a relação (1), a eficiência térmica pode ser escrita como:
E
S
E
SE
Etérmica Q
Q1
Q
Q
W −=−
==η (3).
A eficiência é máxima quando 0QS = . Essa seria a máquina dos sonhos: todo calor
fornecido é convertido em trabalho, ciclo após ciclo. Infelizmente, esse aparato não pode ser
construído. A limitação não é devido ao desenho, à substância utilizada ou qualquer outro
fator envolvendo tecnologia ou escolha criteriosa de novos materiais. Note que, mesmo sendo
uma máquina idealizada e reversível, o rendimento é sempre menor que a unidade. Esse fato
reflete uma propriedade da Natureza, não uma característica particular da máquina térmica.
O exemplo seguinte envolve a aplicação de uma máquina térmica bastante familiar – o
motor de combustão interna de um automóvel. Ele realmente não absorve calor, mas podemos
simular que a energia térmica vem de fora e não de dentro (queima do combustível) e tratá-lo,
também, como uma máquina térmica.
EXEMPLO 01 A potência do motor de um automóvel é de 100 HP e sua eficiência é igual a 30%. Sabendo
que a queima do combustível fornece 35000 kJ/kg ao motor, determinar a taxa de
transferência de calor para o meio e a vazão em massa de combustível consumido em kg/s.
SOLUÇÃO A potência de um motor é dada por:
A energia do combustível que entra é:
Ou, a potência que entra é:
Consequetemente, a taxa de transferência de calor para o meio é:
19
Obs.- Esses resultados mostram que para esse motor funcionar, 171,61 kJ de energia são
necessariamente transferidas para o meio exterior, e como veremos adiante, essa quantidade
não é devido tão somente a perdas causadas pelo atrito.
A quantidade em massa por unidade de tempo do combustível é calculada por:
skgqueima
tQ
t
m E /100.735000
16.245/ 3−×===
Isto significa que um motor a gasolina queima 7,00 gramas de combustível por segundo. SUGESTÃO DE ATIVIDADE
Hipótese 2 Q = W < 0 (negativos) [REFRIGERADORES]
Essas condições se verificam quando o calor que sai do sistema é maior do que o calor
que entra: 0QQQ SE <−= . Além disso, o ciclo no diagrama P V é percorrido no sentido
anti-horário: isso significa que o meio realiza trabalho sobre o sistema. Em refrigeradores
domésticos e em aparelhos de ar condicionado, esse trabalho é realizado por um motor
elétrico. Ambos resfriam um volume específico e rejeitam calor para o exterior. O ar
condicionado expele esse calor para regiões extra-ambiente, enquanto para um refrigerador
doméstico a troca ocorre em suas proximidades. Portanto, se você estiver pensando em
resfriar o ambiente mantendo aberta a porta de geladeira, isso é um péssimo procedimento: o
resultado líquido é a elevação da temperatura ambiente, e não seu decréscimo.
Figura 10 – Ciclo idealizado de um refrigerador que opera com um gás perfeito.
Do estado 4 até o estado 3 o sistema realiza trabalho sobre o meio exterior, e do estado
2 para o estado 1, trabalho é realizado sobre o sistema. Note que 3412 WW →→ > e,
consequentemente, o trabalho líquido é negativo.
P
V
1
4
2
3
Q E
Q S
-W
Mostrar que um motor, com o mesmo rendimento que este e com uma potência maior, consome maior quantidade de combustível.
20
Nos processos que envolvem troca de calor: do estado 1 para o estado 4, calor é
transferido para o meio exterior, e do estado 3 para o estado 2, calor é absorvido pelo sistema.
Como podemos definir a eficiência de um refrigerador? O parâmetro relevante ainda é a
razão “ custobenefício ”, e nesse caso o benefício é o calor retirado do ambiente pelo sistema
e o custo é caracterizado pelo trabalho realizado sobre ele. Como a função de um refrigerador
é retirar calor de uma região fria e rejeitar calor em uma região quente, define-se o coeficiente
de desempenho (COD) como sendo:
gasta) W(energia
)frio ioreservatór do extraído calor(QCOD E= (4).
Como esse coeficiente é positivo, o trabalho W deve ser considerado como uma grandeza
positiva, já que 0QE > . Basta, então, escrever:
0QQW ES >−= .
Substituindo na expressão (4), temos:
1Q
Q1
QCOD
E
SES
E
−=
−= (5)
Da definição (D), vemos que o COD é inversamente proporcional à variável básica de
economia – o custo por Joule extraído. Altos coeficientes de eficiência revelam otimização de
refrigeração: paga-se menos para resfriar determinado volume.
Foi por meio de análises semelhantes que Sadi Carnot (1823) idealizou o motor e o
refrigerador mais eficientes que a natureza permite. O motor de Carnot não existe, é
impossível ser construído, mas suas análises serviram de base para o estabelecimento da
Segunda Lei da Termodinâmica.
SUGESTÃO DE ATIVIDADE
1)Pesquisar em livros, internet, etc., sobre o motor de Carnot, relatando as conclusões que ele chegou sobre o rendimento de um motor ideal. 2) Expor em forma de seminário a pesquisa realizada.
21
FORMULAÇÕES DA SEGUNDA LEI
Existem dois aspectos marcantes sobre as pesquisas de Carnot. Primeiro, ele encontrou
que a eficiência com que o calor pode ser convertido em outras formas de energia depende da
natureza dos processos cíclicos empregados, mas não dependia da substância de trabalho – o
material que sofre a transformação cíclica. Segundo, Carnot descobriu o mais eficiente
processo cíclico para converter calor em outras formas de energia. As conclusões de Carnot
são verdadeiramente monumentais: sem o benefício de uma teoria correta do calor, ele
estabeleceu o padrão último de eficiência de uma máquina térmica. As análises subsequentes
de Clausius e de Lord Kelvin levaram ao estabelecimento da segunda lei da termodinâmica.
O enunciado de Kelvin da segunda lei é esse:
“É impossível dispor de processo cujo único resultado seja o de converter calor, extraído de um único reservatório, totalmente em trabalho”. Evidentemente a palavra “único” no enunciado é uma qualificação fundamental. Muitos
processos podem ser realizados nos quais um sistema converte calor integralmente em
trabalho. Um exemplo fiel dessa situação é uma expansão isotérmica de um gás ideal. Em tais
processos o resultado é que o estado final difere do estado inicial (não completa um ciclo).
Portanto, não aconteceu um único resultado.
O enunciado de Clausius para a segunda lei afirma que: “É impossível obter um processo cujo único resultado seja extrair calor de um reservatório a transferi-lo para outro reservatório com temperatura maior”.
Como todas as outras leis da Natureza, a segunda lei da termodinâmica sobrevive
somente porque ela está de acordo com os experimentos. Nenhuma quantidade de evidências
experimentais poderia estabelecê-la como verdadeira. A evidência que suporta a segunda lei é
o fracasso de todas as tentativas de se construir máquinas de movimento perpétuo de segunda
espécie (rendimento igual a 100%). Fama, fortuna, imortalidade científica instantaneamente
seriam conseguidas por alguém que violasse a segunda lei.
22
AATTII VVII DDAADDEE 44
Duas máquinas térmicas do cotidiano: o motor e a geladeira
Muitos alunos que não gostam de física gosta de automóveis. O que eles não sabem é
que o automóvel é uma aula de física ambulante.
O automóvel possui um motor movido a explosão. Isso permite classificá-lo
fisicamente como uma máquina térmica que converte energia química do combustível em
trabalho. Gasolina, álcool, diesel são compostos orgânicos que ao reagir com o oxigênio
produz calor pela reação de combustão.
A quantidade de calor produzida por cada unidade de massa do combustível é defina
pela propriedade chamada de poder calorífico, que é aproximadamente 10.500kcal/kg na
gasolina e 6.500 kcal/kg no álcool. Essa é a razão pela qual os motores apresentam menor
consumo por quilômetro rodado quando utilizam a gasolina.
Uma maneira de conhecer um motor por dentro é visitando uma oficina mecânica e
fazer uma entrevista com o mecânico
Certamente ele vai lhe mostrar as várias partes dos motores e falar sobre a função de
cada uma delas. Depois dessa discussão com o técnico, fica mais fácil "descobrir" os
princípios físicos em que se baseia essa máquina térmica.
A expansão do gás sob o efeito do calor é o que produz o movimento nas máquinas
térmicas. A conversão é feita de uma forma cíclica, ou seja, o estado inicial do gás sempre se
repete após uma sucessão de transformações (como ocorre no movimento do pistão do motor
do carro).
Vale a pena ver estes vídeos:
VOCÊ JÁ SABE QUE AUTOMÓVEIS, ÔNIBUS E CAMINHÕES SÃO MOVIDOS POR MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA; MAS JÁ VIU UM DELES INTERNAMENTE?
23
www.youtube.com/watch?v=9y8HCnLob78 : Este mostra a montagem de um motor www.youtube.com/watch?v=emRxXykWB3Y: Este mostra os pistões em movimento Entrevistando um mecânico... Você pode dar uma de jornalista e fazer algumas perguntas ao técnico, tais como: 1) Quais as partes essenciais de um motor? 2) Como funciona um motor a combustão? 3) Como funciona um motor de quatro tempos? E de dois tempos? 4) Quais as diferenças entre um motor a álcool e a gasolina? E a diesel? 5) O que é cilindrada do motor? 6) Como funcionam os motores dos carros totalflex? 7) Qual a temperatura de explosão da gasolina, do álcool e do diesel na câmara de combustão dos automóveis?
O motor é o que faz um veículo se movimentar. Nessa época, de constantes avanços
tecnológicos, os motores estão ficando cada vez mais complexos e exigem que a sua
manipulação seja feita por profissionais especializados com instrumentos específicos, pois
apresentam cada vez mais componentes eletrônicos. Porém, os conceitos básicos e os
princípios de funcionamento são os mesmos.
A produção de movimento nesses motores se dá através da queima de combustível em
seu interior. A energia liberada por essa combustão movimenta o motor. O motor funciona em
ciclos de oscilação do pistão (cujo movimento oscilatório é transmitido ao eixo da roda). O
ciclo de um motor a gasolina pode ser dividido aproximadamente em quatro transformações
de pressão e volume do gás:
O MOTOR
24
Figura 11 – Esquema do motor de quatro tempos. Fonte:www.portalsaofrancisco.com.br
A figura acima mostra um esquema do motor a "quatro tempos", assim denominado
porque seu funcionamento se faz em quatro etapas.
Primeiro tempo (indução)
A válvula de admissão se abre e uma mistura de combustível e ar é injetada no cilindro
através da válvula de admissão enquanto o virabrequim, que gira, empurra o pistão para
baixo.
Segundo tempo (compressão)
A válvula de admissão se fecha; a mistura é comprimida à medida que o pistão se eleva
e, antes que este chegue à parte superior, a vela se ascende.
Terceiro tempo (potência)
A mistura acende-se; os gases quentes que se expandem, formados na explosão,
produzem uma força que faz com que o pistão abaixe novamente, acionando o virabrequim.
Quarto tempo (exaustão)
A válvula de escape abre-se e os gases são expulsos pelo pistão que se eleva.
Os motores modernos usam sistemas eletrônicos que regulam com precisão a
quantidade e o teor da mistura introduzida nos cilindros, conhecidos por injeção eletrônica.
25
Para melhorar o rendimento dos motores, estes funcionam, normalmente, com vários
cilindros. Em um motor de quatro cilindros, quando um dos cilindros está em aspiração, outro
está em compressão, o terceiro está em explosão e o quarto está em exaustão.
Se o motor está parado, os primeiros movimentos do pistão são feito através de um
motor elétrico, conhecido como motor de arranque. Depois das primeiras explosões do
combustível o motor de arranque é desligado e os pistões passam a funcionar em ciclos, como
os que foram descritos.
Nos motores de dois tempos, como os usados em motos e barcos, também ocorrem a
admissão, a compressão, a expansão e a exaustão, porém com apenas dois cursos do pistão; a
cada ciclo são duas fases simultâneas. Enquanto o pistão sobe, simultaneamente há a
aspiração na parte inferior do motor e compressão do combustível na parte superior. Com a
ignição, a expansão dos gases impulsiona o pistão para baixo, abrindo a saída para a exaustão,
enquanto a mistura de combustível flui da parte inferior do motor para a parte superior.
Os motores diferem pela quantidade de cilindros e quanto ao ciclo de funcionamento,
dois tempos ou quatro tempos, em que cada pistão trabalha num ciclo e se constitui numa
máquina térmica.
Num ciclo completo do motor, a energia química do combustível só é transformada em
trabalho no 3º tempo. Nas outras etapas (1º, 2º e 4º tempos) o pistão é empurrado devido ao
giro do virabrequim.
Alguns pontos relacionados ao funcionamento dos carros:
� Você já deve ter percebido como muda o desempenho do carro quando você dá carona a
alguém! É que quanto mais pesado o carro mais potência ele precisa para se locomover.
Quanto mais potência maior o consumo.
� Os motores de mesma potência (e mesmo combustível) têm o mesmo rendimento
teórico. Quanto maior a potência menor é o rendimento, ou seja, quanto maior a
potência, mais o carro consome de combustível.
� Uma coisa é o rendimento do motor, outra, é o rendimento do carro. O rendimento do
carro está associado, além do rendimento do motor, ao seu peso e à sua aerodinâmica.
Quanto maior o peso menor é o rendimento.
26
O refrigerador, hoje ao alcance de todos, revolucionou os nossos hábitos de compra e de alimentação.
Será que podemos considerar uma geladeira como uma máquina térmica? Sim, mas
operando em sentido contrario, ou seja, usa trabalho do motor elétrico, em vez de produzi-lo e
o fluxo do calor é de um meio de baixa temperatura para outro de maior temperatura.
Armazenar, conservar e transportar alimentos perecíveis sempre foi um problema para
homem. Por muitas décadas as técnicas utilizadas para conservação dos alimentos foi a
defumação, o uso de sal e condimentos, etc. Uma invenção que resolveu esse problema e
transformou os hábitos da sociedade foi o refrigerador. Como será que funciona uma
geladeira? Será que ela possui algo em comum com um motor de carro? Por que algo que gela
as coisas tem uma grade na parte de trás que está sempre quente?
SUGESTÃO DE ATIVIDADE
Para responder essas perguntas e outras que os alunos vão elaborar em grupos,
vamos pedir ajuda a um técnico de refrigeração.
1)Os alunos em grupos vão elaborar questões que consideram importantes para a
entrevista, discutindo as mesmas com o professor. Depois de feito um roteiro os
alunos deverão procurar um técnico de refrigeração para ajudar a responder os
questionamentos.
2)Após a realização da entrevista, será elaborado um relatório apresentando
observações da qual será discutida e também ser entregue ao professor como
atividade avaliativa.
O que um aparelho que resfria alimentos e fabrica gelo tem de semelhante com um motor de carro?
27
A geladeira funciona em ciclos utilizando um fluído (freon) que é um gás refrigerante num
um circuito fechado. Tem como partes essenciais o compressor, o condensador, uma válvula
descompressora e o evaporador (congelador).
1-Compressor- Comprime o gás, aumentando a
pressão e a temperatura, fazendo-o circular através da
tubulação.
2-Condensador- O gás perde calor para o exterior
quando passa pela serpentina, liquefazendo-se. É a
parte quente que você já deve ter observado.
3-Válvula descompressora- O gás ainda em alta
Figura 12 – Esquema do circuito da geladeira. Fonte: GREF.Física 2, pg.114
pressão e liquefeito chega a um estreitamento da tubulação (tubo capilar), onde ocorre uma
diminuição da pressão.
4-Congelador- Quando o freon líquido e a baixa pressão chega à serpentina do evaporador, de
diâmetro bem maior que o capilar, se vaporiza, retirando calor do interior do congelador. O
gás a baixa pressão e temperatura é aspirado para o compressor, onde se inicia um novo ciclo.
Enquanto no motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a fria (água de
refrigeração e meio ambiente), na geladeira o fluxo de calor não é espontâneo. Na geladeira a
troca de calor se dá do mais frio (interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). É
importante ressaltar que a geladeira não usa calor, mas sim o bombeia de uma temperatura
mais baixa para uma mais alta.
Uma máquina que tem com objetivo o resfriamento os valores serão negativos, pois o
fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Conforme a 2ª Lei da
Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um
trabalho externo, assim:
28
RREENNDDII MM EENNTTOO DDAASS MM ÁÁQQUUII NNAASS TTÉÉRRMM II CCAASS
Figura 13 – Esquema de funcionamento de um refrigerador. Fonte: Adaptação da figura disponível no site: www.sofísica.com.br
Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente através do condensador é
igual à quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o trabalho realizado pelo
compressor.
Q condensador = Q congelador + W compressor
Em qualquer máquina térmica as perdas térmicas são muito grandes. Essa “perda” é a
energia necessária para fazer o motor completar o ciclo. Sem essa “perda”, o motor não
funciona. É muito diferente da perda por atrito.
O rendimento real de um motor a explosão que funciona com gasolina está em torno de
21% a 25%. Nesse motor ocorreram perdas térmicas e mecânicas de 75% a 80%.
As perdas térmicas se devem à troca de calor do motor com o ambiente pelo sistema de
refrigeração, pela eliminação dos gases pelo escapamento e ainda em uma porcentagem
pequena de perdas mecânicas que se devem ao atrito das superfícies metálicas.
Fonte de aquecimento
Q1
Q2
W
Máquina térmica
Fonte de resfriamento
29
η=
Se toda energia fosse convertida em trabalho mecânico, o rendimento seria igual a 1 ou
100%. Na realidade isso nunca acontece.
Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia utilizada
como forma de trabalho e a energia fornecida.
Considerando:
η=
η=rendimento;
W= trabalho convertido através da energia térmica fornecida;
Q1=quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento;
Q2=quantidade de calor não transformada em trabalho.
O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina não realizar nenhum trabalho, e o
máximo 1, se fosse possível que a máquina transformasse todo o calor recebido em trabalho,
mas como visto, isso não é possível. Para sabermos este rendimento em percentual,
multiplica-se o resultado obtido por 100%.
Para aumentar o rendimento de um motor a combustão, os construtores aumentam a
razão entre o volume máximo e o mínimo dentro do cilindro, ocupado pela mistura
combustível. Se a mistura é bastante comprimida antes de explodir, a pressão obtida no
momento da explosão é maior. Assim o deslocamento do pistão é tanto maior quanto maior a
razão entre o volume máximo e o mínimo.
Alguns itens para melhorar o desempenho de um motor tornando-os mais potentes e/ou mais eficientes.
Aumentar a cilindrada - mais deslocamento volumétrico significa mais potência porque
permite queimar mais combustível durante cada rotação do motor. É possível aumentar a
cilindrada usando cilindros maiores ou acrescentando mais cilindros (o limite prático é o de
16 cilindros). A cilindrada também pode ser aumentada por meio de maior curso dos pistões.
Elevar a taxa de compressão - taxas de compressão mais altas produzem mais potência,
até certo ponto. Entretanto, quanto mais se comprime a mistura ar-combustível, maior a
possibilidade de que parte da mistura na câmara detone espontaneamente (depois de ocorrer
W Q1
Q1 – Q2
Q1
30
a centelha da vela de ignição). A gasolina de alta octanagem, como a premium ou a Podium,
diminui o risco ou evita essa detonação. É por isso que os carros de alto desempenho
geralmente precisam de gasolina de alta octanagem - seus motores normalmente têm taxas de
compressão mais elevadas para obter mais potência.
Colocar mais ar em cada cilindro - é possível empurrar mais ar (e mais combustível)
para um cilindro de determinado tamanho (do mesmo modo que se faria aumentando o
tamanho do cilindro). Os turbo compressores e compressores pressurizam o ar que entra para
que seja fornecido efetivamente mais ar aos cilindros.
Resfriar o ar na admissão - comprimir o ar aumenta sua temperatura, mas é melhor ter o ar
mais frio possível no cilindro (quanto mais quente o ar, menos denso ele se torna, menos
oxigênio por volume). Assim, muitos carros equipados com turbo compressor ou compressor
têm um intercooler. O intercooler é um radiador por onde o ar comprimido passa para ser
resfriado antes de entrar nos cilindros.
Facilitar a entrada de ar - à medida que o pistão se move no seu curso de admissão, a
resistência do ar pode roubar potência do motor. A resistência do ar pode ser fortemente
diminuída colocando uma válvula maior ou, preferencialmente por questão de peso, duas
passagens de ar total. Alguns carros mais novos estão usando coletores de admissão polidos
internamente para eliminar a resistência do ar. Filtros de ar maiores podem também melhorar
o fluxo de ar.
Facilitar a saída dos gases queimados - se a resistência do ar dificultar a saída dos gases
queimados em um cilindro, ocorrerá roubo de potência do motor. A resistência do ar pode ser
amenizada acrescentando-se uma válvula de escapamento em cada cilindro ou,
preferencialmente, duas válvulas menores, mas que resulte em aumento total da área de
/passagem (um carro com duas válvulas de admissão e duas válvulas de exaustão tem quatro
válvulas por cilindro, o que melhora o desempenho - quando você ouve um comercial dizer
que o carro tem quatro cilindros e 16 válvulas, o que o comercial está dizendo é que o motor
tem quatro válvulas por cilindro). Se o diâmetro do cano do escapamento é muito pequeno ou
o silenciador oferece muita resistência ao ar, pode haver contrapressão, que terá o mesmo
efeito de válvula de escapamento muito pequena. Sistemas de escapamento de alto
desempenho usam coletores especiais (muitas vezes chamados de "dimensionados"), tubos de
escape de grande diâmetro e silenciadores de alta vazão para diminuir a contrapressão no
sistema de escapamento. Quando você ouve que um carro tem "duplo escapamento", o
31
objetivo é melhorar o fluxo dos gases de escape tendo dois tubos de escapamento em vez de
apenas um.
Diminuir o peso dos componentes - componentes leves ajudam o motor a ter um
desempenho melhor. Cada vez que um pistão muda de direção ele utiliza energia para
interromper o trajeto em uma direção e iniciá-lo em outra. Quanto mais leve o pistão, menos
energia ele dissipa. Essa é também a razão de se usar duas válvulas menores em vez de apenas
uma grande.
Injeção de combustível - a injeção de combustível permite uma dosagem muito precisa de
combustível em cada cilindro. Isso melhora o desempenho e reduz o consumo de
combustível.
RESPONDA AS QUESTÕES ABAIXO PREENCHENDO AS LACUNAS COM AS PALAVRAS QUE ESTÃO NOS PARENTESES:
1-A variação da energia interna ∆U, de qualquer dispositivo que percorre um ciclo
termodinâmico é _______________ (positiva, negativa ou nula).
2-De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, isto significa dizer que a quantidade de
calor Q, envolvida nos processos é _______________ (maior que o, menor que o, ou igual
ao) trabalho realizado, W.
3-O valor absoluto da energia, na forma de calor, que faz um motor percorrer um ciclo é
____________ (positiva ou negativa) e se o dispositivo for um refrigerador, o valor absoluto
dessa quantidade é ____________ (positiva ou negativa).
4-Para um motor, representamos o valor absoluto do calor pela diferença entre as quantidades
absolutas do calor que entra e o calor que sai do dispositivo, ou seja, Q = QE – QS. Para que
um motor percorra um ciclo é necessário que QS seja ___________ (maior que ou igual a)
zero e QE seja _____________ (maior ou menor) que QS. Isso significa dizer que QE é
sempre __________(maior que ou igual ao) o trabalho realizado pelo sistema.
32
CCOONNSSTTRRUUÇÇÃÃOO DDEE UUMM AA MM ÁÁQQUUII NNAA TTÉÉRRMM II CCAA
AATTII VVII DDAADDEE 55
5-Definimos a eficiência de um motor pela razão entre a energia útil, na forma de trabalho, e
o calor que entra no sistema, ou seja, e = W/QE. De acordo com essa definição, essa relação é
sempre _________ (igual a ou menor que) 1.
6-Assim como para um motor, para um refrigerador representamos o valor absoluto do calor
envolvido nos processos, pela diferença entre as quantidades absolutas do calor que entra e o
calor que sai do sistema. Devemos levar em conta que nesse caso, QS é __________ (maior
ou menor) que QE e, portanto a somatória das energias na forma de calor envolvidas no ciclo
é ___________ (positiva ou negativa).
7-Definimos o coeficiente de desempenho de um refrigerador pela razão entre a quantidade de
calor que entra no sistema e o trabalho necessário para transferir este calor para a fonte
quente, ou seja, d = QE/W. O valor absoluto desta quantidade é o inverso do valor da eficácia
de um motor, conseqüentemente é sempre ___________ (maior ou menor) que 1.
Esta atividade consiste na construção de um modelo rudimentar de máquina térmica.
A montagem deste experimento não é uma máquina térmica no sentido estrito do termo, mas
os alunos terão oportunidade de observar alguns aspectos relativos ao funcionamento das
máquinas, bem como aos conteúdos envolvidos. Tais como: mudança de estado da água,
rendimento e leis da termodinâmica.
Material utilizado:
� Lata de refrigerante vazia.
� Lamparinas pequenas a álcool, velas ou giz embebido com álcool.
� Agulha número 2 de injeção de uso veterinário
� Diversos: cola durepoxi, pedaços de isopor, arame, madeira, alumínio, cordões,
carretel de máquina de costura ou semelhante, papel cartão, etc.
33
Construção da caldeira
1. Retire totalmente a tampinha da lata.
2. Faca um pequeno furo no meio da tampinha e encaixe nele a agulha de injeção
colando-a.
3. Recoloque a tampinha no local de onde foi tirada utilizando para isso cola durepoxi
com a agulha voltada para fora da lata, procure colocar a cola em toda região da tampa.
4. Coloque um pouco d’água na lata de refrigerante, para isso utilize uma seringa com uma
agulha mais fina.
5. Apoie horizontalmente a caldeira numa armação de arame de maneira que a agulha fique
na parte mais alta.
6. Abaixo da caldeira coloque as lamparinas a álcool (fonte de energia térmica da caldeira).
Construção da turbina
1. Cole, nas laterais do carretel, aletas de papel cartão, isopor ou de alumínio.
2. Ponha a turbina numa armação, ajustando a altura para que coincidam com a agulha
da caldeira, por onde sairá o jato de vapor de água.
3. O eixo da turbina pode ser fixado à armação para que o carretel gire livremente, ou fixado
ao carretel para que seu eixo, apoiado na armação, gire livremente.
Obs: Aqui é somente um modelo, mas podemos variar os materiais e criar diferentes tipos de
turbina.
Comentários A turbina gira por ação direta e visível do vapor decorrente do aquecimento e da ebulição da
água. Podemos observar uma grande quantidade de vapor que uma pequena porção de água
pode gerar.
Neste pequeno experimento podemos observar a fonte quente que é, fogo e a fonte fria que é
meio ambiente.
34
Veja no vídeo que uma xícara de café fornece calor suficiente para um pequeno movimento!
http://www.youtube.com/watch?v=SyszkssxVD4&feature=player_embedded
Veja um exemplo extremamente simples: no vídeo abaixo, um tubo de ensaio, aquecido pela
chama de uma vela, é ligado a um mecanismo simples que move um pistão e uma roda. O
calor da chama aquece o ar no interior do tubo, que dilata e empurra o pistão para fora.
Acoplado à roda, sua inércia faz o pistão voltar, comprimir novamente o ar que, aquecido,
repete o ciclo.
http://www.youtube.com/watch?v=cjjkj-UGboM&feature=player_embedded
REFERÊNCIAS
FIGUEIREDO, A.; PIETROCOLA, M. Física um outro lado: Calor e Temperatura. São Paulo: FTD, 2000. GASPAR, Alberto. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. São Paulo: Ática, 2003. GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Leituras de Física. 2. ed. Disponível em: http://www.if.usp.br/profis/gref_leituras.html. GREF (Grupo de Reelaboração de Ensino de Física). Física 2. Física Térmica/Óptica - 5. ed. 3. reimpr. - São Paulo: EDUSP, 2005. http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/motor-explosao/motor-explosao.php . Acessado dia 23/04/10 às 15h http:// www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.php Acessado dia 23/04/10 MARSHALL BRAIN. "HowStuffWorks - Como funcionam os motores de carros" . Publicado em 01 de abril de 2000 (atualizado em 03 de novembro de 2009) http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros3.htm. Acessado dia 20/07/10 PARANÁ/SEED/DEB. Diretrizes Curriculares da Educação Básica – Física. Curitiba: SEED/DEB, 2008 PERRY, Marvin et al. Civilização 0cidental: Uma história concisa. São Paulo: Martins Fontes, 1985.
35
PIETROCOLA, Mauricio. Ensino de Física: Conteúdo, metodologia e epistemologia em uma concepção integradora. Florianópolis: editora da UFSC,2005 QUADROS, S. A termodinâmica e a invenção das máquinas a vapor. São Paulo: Scipione, 1996. RAFAEL, F. J. Elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino sobre os conceitos de calor e de temperatura. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, Natal, 2007. SAVI, A A. COLUCI C C. Livro de Termodinâmica utilizado no EAD/Física – UEM, 2010. SILVA, Dirceu. Estudo das Trajetórias Cognitivas de Alunos: no ensino da diferenciação dos conceitos de calor e temperatura. Tese de Doutorado, Faculdade de Educação, USP, São Paulo, 1995.
FIGURAS
FIGURAS 01 a 06:Disponível na Dissertação de Mestrado “Elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino sobre os conceitos de calor e de temperatura” de Francisco Josélio Rafael. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, Natal, 2007. FIGURA 07:Disponível em:http://www.brasilescola.com/fisica/escalas-termometricas.htm Acessado em 06/07/10 FIGURAS 08 a 10:Disponível no Livro de Termodinâmica utilizado no EAD/Física – UEM de Arlindo Antonio Savi e C. C. Coluci, 2010. FIGURA 11:Disponível em http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/motor-explosao /motor-explosao.php . Acessado dia 23/04/10 às 15h FIGURA 12:Disponível no livro GREF (Grupo de Reelaboração de Ensino de Física). Física 2. Física Térmica/Óptica - 5. ed. 3. reimpr. - São Paulo: EDUSP, 2005, p. 114. FIGURA 13: Adaptação da figura disponível no site: www.sofisica.com.br/conteudos/ Termologia/Termodinâmica/2leidatermodinamica.php .Acessado dia 23/04/10.