Transformações gasosas e Máquinas térmicas

Como funciona um motor a gasolina?

Como funciona uma geladeira?

            Até agora, enquanto falamos sobre calor específico e calor latente vimos como o calor (energia térmica) pode agir sobre a matéria. é interessante analisar também como o calor pode ser útil no desenvolvimento de aparelhos que simplificam nossa vida, nos dão comodidade em nosso dia-a-dia. Ao longo do século XVIII e XIX muitas máquinas térmicas foram desenvolvidas: bombas d’água a vapor para a retirada de água de minas de carvão; fiandeiras e tecelagens movidas foram por máquinas a vapor; foram desenvolvidos barcos e trens e até mesmo automóveis a vapor; máquinas refrigeradoras para o transporte de cargas em navios; etc. Hoje a maioria é peça de museu ou serve de atração turística. Como sobreviventes mais adaptadas desta época ainda usamos os motores a combustão interna (a gasolina, diesel, gás, querosene e outros combustíveis) e as geladeiras. Mas como funcionam? Você tem uma noção?

Transformações gasosas

            O primeiro passo é compreendermos que são máquinas que usam de um gás para a realização de alguma tarefa importante. Os gases são ideais para algumas tarefas porque, ao contrário de sólidos e líquidos, podem ser comprimidos e expandidos com facilidade. Nesta compressão e expansão podem mover pistões que fazem o trabalho desejado.

            Um gás pode ser caracterizado por três valores (chamamos três variáveis de estado) diferentes: sua pressão, seu volume e sua temperatura. Estes três valores estão intimamente relacionados entre si. Normalmente a mudança de um destes valores afeta os outros dois. Há algumas transformações muito especiais que podem ocorrer a um gás e que, por isso, são chamadas por nomes curiosos:

(a)    Transformação Isotérmica: quando a temperatura fica fixa enquanto variam pressão e volume do gás. Um aumento da pressão neste caso acarreta uma redução no volume e vice-versa. É o que acontece quando tampamos uma seringa com o dedo e empurramos o êmbolo devagar para dentro. Quanto mais apertamos o êmbolo, mais sentimos a pressão do ar sobre nosso dedo.

(b)   Transformações Isobáricas: quando a pressão fica fixa enquanto variam a temperatura e o volume do gás. Neste caso, aumentando a temperatura do gás, ele aumenta de volume. Um exemplo é quando colocamos um balão um pouco murcho ao sol e o calor o faz ficar mais estufado.

(c)    Transformação Isovolumétrica: Quando o volume é fixo enquanto variam a pressão e a temperatura do gás. Nesta situação, um aumento na temperatura acarreta um aumento na pressão do gás. Um caso infelizmente comum é o da panela de pressão entupida que, recebendo o calor do fogo, vai esquentando cada vez mais e apresentando uma pressão cada vez mais alta até que finalmente explode. Este tipo de transformação pode receber o nome também de isométrica ou isocórica.

(d)   Transformação adiabática: Neste caso, o gás muda de pressão, de volume e de temperatura tudo ao mesmo tempo, mas de um jeito muito especial. Ele não troca calor com o ambiente que o envolve. A palavra “adiabático” vem do grego e pode ser traduzida como impenetrável (fica como dica procurar um dicionário de etimologia, que apresenta a origem das palavras, é muito interessante e enriquecedor). Isto pode ocorrer se o gás está dentro de algum reservatório que o isola do ambiente, com paredes de isopor, de fibra de vidro, plástico, cortiça ou coisa assim. Ou pode ocorrer se a transformação for suficientemente rápida para impedir que o gás troque calor com o ambiente. É o que ocorre quando sopramos o ar fazendo biquinho e aí o ar sai frio. Quando um gás sofre uma expansão adiabática, sua pressão e sua temperatura caem significativamente. Quando o gás sofre uma compressão adiabática, sua pressão e sua temperatura sobem significativamente.

Nos motores e na geladeira ocorrem expansões e compressões adiabáticas que são fundamentais para seu funcionamento. Os motores a gasolina são motores a quatro tempos e motores a explosão interna pois o combustível é queimado dentro dele para gerar calor. Um esquema completo e didático para entender como o motor funciona pode ser encontrado no seguinte site: http://www.if.usp.br/gref/termo/termo4.pdf (capítulo 20). Vamos só nomear os 4 tempos do motor aqui:

Primeiro tempo: o combustível (na realidade uma mistura de ar mais combustível) é injetado dentro do cilindro do motor quando da “primeira” descida do pistão.

Segundo tempo: o combustível (a mistura) é comprimida pelo pistão na sua “primeira” subida. O processo de compressão é muito rápido sendo caracterizada aí uma compressão adiabática da mistura. A temperatura e a pressão sobem bastante e um combustível misturado com oxigênio do ar sob alta pressão e a alta temperatura é um convite a uma explosão. É o que acontece.

Terceiro tempo: a vela solta uma faísca elétrica no combustível que explode. Isto gera um calor enorme que aquece ainda mais o gás ali dentro. Este gás empurra violentamente o pistão para baixo. Esta força enorme gerada é usada para o movimento das rodas através de um sistema de engrenagens. O pistão desce pela segunda vez, agora com muita força. Este é também (em parte)um processo adiabático.

Quarto tempo: O gás resultante da queima da mistura de combustível mais o oxigênio do ar precisa ser expulso do cilindro para poder ser feita nova admissão de combustível. Quando o pistão sobe pela segunda vez, ele empurra para fora os gases que sairão do carro pelo escapamento.

            Como você pode ver, o gás em questão é a mistura de ar mais combustível que sofre mudanças de pressão, temperatura e volume e uma reação química (a explosão) que envolve a geração de calor. Os processos térmicos são fundamentais para o funcionamento do motor. Na geladeira não há explosão, mas o processo é também muitíssimo interessante. Isto porque a geladeira faz uma coisa aparentemente impossível. Veja bem a situação:

            Quando colocamos um material mais quente em contato com um material mais frio, sempre o material mais quente fornece calor ao material mais frio. Assim o material mais quente esfria e o material mais frio esquenta. Se dermos tempo suficiente, os dois chegarão numa temperatura igual chamada temperatura de equilíbrio. Aí cessa o fluxo de calor. Mas havendo diferença de temperatura entre dois materiais, o mais quente sempre passa calor para o mais frio.

            Ora, vejam: a geladeira estão normalmente numa temperatura de 3 a 5 ^oC. Quando colocamos algo dentro dela, uma melancia, por exemplo, que acabamos de comprar, deixamos o ar quente entrar e assim, ao fechar de novo a porta dela, ela terá uma temperatura interna maior do que estes 5 ^oC, digamos 10 ^oC . Ela precisará voltar à temperatura anterior e, por isso, terá que jogar calor para fora. A melancia também está na temperatura ambiente (digamos 30 ^oC) e precisa ser resfriada e a geladeira deve jogar calor dela para fora também.

Resumindo: a geladeira precisa sair destes 10 ^oC em que está agora e voltar a 5 ^oC e para isso precisa jogar calor para o ambiente que está a 30 ^oC. Mas o calor não passa sempre de um corpo mais quente para um corpo mais frio? Aqui está acontecendo o oposto. Como isso é possível? Como a geladeira realiza esta façanha? Tudo isto é obra do gás que tem dentro dela.

No refrigerador o gás passa muito frio, a -18 ^oC e pega calor do ar que está preso dentro da geladeira. Está mais quente (digamos a 5 ^oC) quando sai da geladeira. Ele passa por um motor que é um compressor e que tem duas finalidades: primeiro fazer o gás circular e esquentar o gás. Isto mesmo: esquentar o gás. Na realidade o motor comprime o gás adiabaticamente até ele ficar líquido e com isso a temperatura chega a 40 ^oC na saída do motor. Este líquido quente passa por uma serpentina atrás da geladeira (isto mesmo, aquela serpentina quente que você uma vez ou outra pôs uma toalha para secar). Como o líquido está mais quente do que o ambiente (que está a 30 ^oC) ele passa calor ao ambiente. Justamente o calor que roubou da melancia e do ar preso na geladeira.

No final desta serpentina, o líquido está mais frio. Ele passa por um tubo fino que desemboca num tubo largo e neste ponto o líquido vira gás e expande adiabaticamente, o que faz a temperatura do gás ser muito fria ( aqueles -18 ^oC que terá dentro do congelador). Pronto começa tudo de novo e mais um pouco de calor da melancia poderá ser “levada” pelo gás para fora. Quando o ambiente interno da geladeira chegar à temperatura normal de 3 a 5 ^oC então o motor desligará.

Já foram usados muitos gases diferentes nas geladeiras residenciais, muitos abolidos por serem tóxicos ou muito danosos ao meio ambiente: amônia, butano, isobutano, propano, dióxido de enxofre, cloreto de metil, clorofluorcarbonos... Atualmente são usadas misturas de CFC´s com Hidroclorofluorcarbonos HFC´s. Os gases mais recomendados atualmente são o hidroclorofluorcarbonos justamente por serem menos danosos à camada de ozônio.

Bem, podemos ver como o estudo dos materiais encontrou aplicação prática em aparelhos que usamos. Há muito mais. Mas não vamos aprofundar o assunto aqui. Fica claro que a ciência tem uma relação bem profunda com a tecnologia. Esta ligação é cada vez mais forte e tem impactos enormes sobre a sociedade. Podemos ver isto pelo exemplo mesmo dos motores a combustível e pelas geladeiras. Os primeiros carros a gasolina datam da década de 1880, Em 2008, praticamente 120 anos depois havia cerca de 1 bilhão de automóveis circulando pelo mundo. O primeiro refrigerador doméstico data de 1913 provavelmente, o primeiro com a aparência dos que usamos hoje data de 1925 (http://www.eletrodomesticosforum.com/historia_geladeira.htm) e hoje, cem anos após, é considerado um eletrodoméstico indispensável nos nossos lares. Aos impactos sociais e econômicos somam-se os impactos ambientais. A ciência provoca mudanças no mundo. Muitos cientistas não perceberam isto ao longo da história. Mas o fato é inegável.