Máquinas térmicas são dispositivos que convertem parcialmente energia térmica e química contidas em suas substâncias, tais como gases aquecidos, vapor de água ou gasolina, em trabalho. Exemplo: todos os tipos motores de combustão interna e as máquinas movidas a vapor.
O rendimento das máquinas térmicas é uma grandeza adimensional dada pela razão entre a quantidade de trabalho mecânico extraído de uma máquina térmica e a quantidade de energia fornecida a ela em forma de calor.
Quanto maior o rendimento de uma máquina, maior será sua eficiência. Em outras palavras, uma máquina térmica eficiente é aquela que produz mais trabalho consumindo menor quantidade de recursos energéticos. Os motores de combustão interna, usados para impulsionar veículos como motocicletas, carros, caminhões e até mesmo aeronaves, são projetados para ser cada vez mais eficientes e poluir menos. Essas máquinas térmicas usam como fonte de energia o calor obtido pela queima de combustíveis fósseis como gasolina, óleo diesel, álcool ou querosene de aviação. Saiba mais sobre a história das máquinas térmicas clicando aqui.
Veja também: Combustíveis fósseis
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Além disso, as transformações termodinâmicas sofridas pela substância de trabalho são cíclicas, isto é, ao final de cada ciclo voltam a apresentar os mesmos valores de Pressão, Volume e Temperatura. Em decorrência disso, e de acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica, o trabalho obtido por uma máquina térmica é dado pela diferença entre a quantidade de calor fornecida para o funcionamento da máquina (Qq) e a quantidade de calor que a máquina rejeita (Qf) para a sua fonte fria (que pode ser o meio externo):
Veja também: Exercícios sobre máquinas térmicas
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Os motores que usam o ciclo Diesel apresentam os maiores rendimentos das máquinas térmicas – cerca de 30% – enquanto os motores a gasolina, que geralmente utilizam o ciclo Otto, têm rendimento de até 20%.
As máquinas térmicas ideais, também conhecidas como máquinas de Carnot, são teóricas e operam de acordo com o ciclo de Carnot. O clico de Carnot apresenta quatro etapas: duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas. Essas transformações são, respectivamente, extremamente lentas e extremamente rápidas, tornando esse ciclo impraticável em máquinas reais. No entanto, as máquinas reais são projetadas de forma que o seu ciclo de operação se assemelhe ao máximo ao ciclo de uma máquina ideal, de forma a apresentar o maior rendimento possível.
O rendimento das máquinas térmicas ideais pode ser calculado pela seguinte equação:
Na equação apresentada acima, Tf é a temperatura da fonte fria, também chamada de resfriadouro ou sorvedouro, e Tq é a temperatura da fonte quente. É importante ressaltar que as temperaturas envolvidas nesses cálculos devem sempre estar expressas em Kelvin.
Veja também: Escalas termométricas e suas conversões
Por Rafael Helerbrock
Graduado em Física
Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:
HELERBROCK, Rafael. "Rendimento das máquinas térmicas"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/rendimento-das-maquinas-termicas.htm. Acesso em 22 de abril de 2021.
Questão 1) Uma máquina térmica opera, recebendo 600 J de calor a cada ciclo, realizando, assim, 400 J de trabalho. Calcule o valor aproximado do rendimento dessa máquina térmica, em porcentagem, e assinale a alternativa correta:
a) 80 %
b) 50 %
c) 66 %
d) 55 %
e) 95 %
Questão 2) As fontes quente e fria de uma máquina de Carnot operam em temperaturas de 500 K e 300 K, respectivamente. Sabendo disso, determine o rendimento dessa máquina, em porcentagem e assinale a alternativa correta:
a) 80 %
b) 40 %
c) 60 %
d) 75 %
e) 55 %
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