Termodinâmica (1) - Calor, trabalho e rendimento

A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem frequentemente ao nosso redor.

A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação e energia térmica em energia de movimento.

Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas. Os trabalhos dos cientistas da época levaram-nos a duas leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza.

A segunda lei da termodinâmica, que nos mostra as limitações impostas pela natureza quando se transforma calor em trabalho.

Para entendê-las, é preciso inicialmente compreender duas grandezas físicas importantes: o trabalho e a energia interna.

O trabalho

Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estante. Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário deslocá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um consequente deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho.

Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a realização de trabalho.

De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado na figura abaixo.

O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume.

• n é o numero de mols.
  

  Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema. Resumindo:

• No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a temperatura, em Kelvin.
  A primeira lei da termodinâmica.
• Como foi mencionado anteriormente, a primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação de energia aplicado a sistemas termodinâmicos. O princípio da conservação da energia baseia-se no fato de que a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada.
  

  Ao se fornecer calor ao sistema, podemos observar a ocorrência de duas situações possíveis. Um aumento de temperatura e uma expansão do gás. O aumento de temperatura representa o aumento de energia interna do sistema e a expansão do gás representa a realização de trabalho.

Pode-se concluir que o calor fornecido ao sistema foi transformado na variação de energia interna e na realização de trabalho. Desta conclusão, chega-se à primeira lei da termodinâmica, que é definida da seguinte forma.

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.

Sentido anti-horário: $$\tau <0\to$$ Ciclo refrigerador

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.

• $$\eta =\frac{\tau }{{\text{Q}}_1}$$

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

  $$0\le \eta <1$$

  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:

  $$\eta =1--\frac{{\text{T}}_2}{{\text{T}}_1}$$

  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.