Máquinas e combustíveis

Você conhece alguma máquina a vapor?

Eu conheci o trem denominado Maria Fumaça, mas não exatamente na época em que ele era usado como meio de transporte. Conheci como uma relíquia, um passeio turístico.

São exemplos de máquinas térmicas, além da Maria Fumaça, os motores de combustão interna usados atualmente nos automóveis.

Esses você conhece, não?

O funcionamento das máquinas térmicas baseia-se na transformação de energia térmica em energia mecânica.

As primeiras máquinas térmicas usavam o vapor d'água produzido em caldeiras como combustível para gerar movimento e realizar trabalho como, por exemplo, girar uma roda d’água ou as rodas de um trem.

Já as máquinas térmicas de combustão interna têm como base os gases gerados durante a queima do combustível. De modo geral, a queima do combustível gera energia que é transferida para o gás. Esse gás então se expande realizando trabalho, enquanto sua temperatura diminui.

Nesse processo tanto a energia interna quanto o trabalho realizado dependem da quantidade de calor que é transferida para o gás.

Foi a busca do aumento da eficiência dessa transferência que alavancou o desenvolvimento dessas máquinas.

As máquinas térmicas que usavam carvão foram muito importantes na história, pois foram as precursoras de tantas outras.

Vamos agora ver a evolução delas.

A primeira máquina térmica que se tem registro é a máquina de Heron, que consiste em uma esfera oca de cobre com dois canudinhos de cobre torcidos.

A esfera de Heron continha água em seu interior que, quando aquecida, saía pelos canudinhos em forma de vapor fazendo a esfera girar.

A máquina de Heron foi encontrada nos registros do século I a.C. e parecia funcionar apenas como equipamento de entretenimento.

O segundo registro encontrado é datado de 1629 – uma vasilha preenchida com água que possuía um cano aberto para saída do vapor gerado (algo parecido com uma chaleira).

Ao ser aquecida, o vapor gerado saía pelo cano e movia uma roda com pás.

Em 1690 o vapor foi utilizado pela primeira vez para movimentar um êmbolo dentro de um cilindro – a base de funcionamento das máquinas térmicas atuais.

Por volta de 1712 uma nova máquina térmica foi desenvolvida. Ela possuía uma viga (como uma gangorra, o brinquedo dos parques infantis) e era utilizada para retirar água das profundezas ou para subir cargas pesadas.

Ainda hoje esse tipo de estrutura é usada para retirar petróleo das profundezas. Elas são conhecidas como cavalos.

Os problemas dessas primeiras máquinas era a baixa eficiência; elas consumiam muito carvão para aquecer a água de modo a realizarem o trabalho desejado.

Em 1765, James Watt introduziu nas máquinas um condensador que minimizava as perdas de calor, aumentando o rendimento do carvão em três vezes – um enorme passo no aumento da eficiência.

Assim as máquinas passaram a ser usadas também para a movimentação de tornos e moinhos, substituindo a tração animal.

James Watt costumava expressar a potência de suas máquinas em unidades HP ou horse power (literalmente força do cavalo) para facilitar a comparação com o tipo de tração usado até aquele momento e aumentar a compreensão de suas capacidades de realizarem trabalho.

Hoje a potência é expressa em watts em sua homenagem, apesar de o HP ser ainda usado em alguns casos como, por exemplo, nos automóveis.

Mas vamos voltar à história das máquinas térmicas.

Os primeiros automóveis também usavam motores movidos a vapor d'água, no fim do século XIX e início do século XX.

Hoje os motores são movidos por combustão interna, usando outras formas de combustíveis em substituição ao carvão como, por exemplo, diesel, álcool e/ou gasolina.

Os motores a vapor ainda são usados em alguns casos específicos, como nas usinas termoelétricas, que produzem energia elétrica a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis como, por exemplo, carvão mineral, óleo e gás natural.

Máquinas térmicas de combustão interna - UFRGS. Acesso em: 09/05/2019.

UOL Tecnologia. Acesso em: 09/05/2019.

Máquina - UFRGS. Acesso em: 09/05/2019.

Uma breve história das máquinas térmicas - USP. Acesso em: 09/05/2019.

Figura 1: Maria Fumaça

Figura 2: Máquina de Heron

Figura 3: Bomba cabeça de cavalo

Figura 4: Carro a vapor, 1912