Termodinâmica: História, Leis e Aplicações em Máquinas

Fundamentos e Desenvolvimento Histórico

O estudo do calor e de suas transformações em energia mecânica é chamado de Termodinâmica (que provém de palavras gregas que significam “movimento do calor”).

A ciência da Termodinâmica foi desenvolvida no início do século dezenove, antes que a teoria atômica e molecular da matéria fosse compreendida. Como os primeiros estudiosos da Termodinâmica possuíam apenas uma vaga noção dos átomos, e não sabiam nada acerca de elétrons e de outras partículas microscópicas, os modelos que eles [utilizavam] focavam em grandezas tais como trabalho mecânico, pressão e temperatura, e os papéis que elas desempenhavam nas transformações de energia.

O fundamento da Termodinâmica é a conservação da energia e o fato de que o calor flui espontaneamente do quente para o frio e não no sentido inverso. A Termodinâmica fornece a teoria básica das máquinas térmicas, de turbinas a vapor até reatores nucleares, e a teoria básica de refrigeradores e bombas de calor.

As Leis Fundamentais da Termodinâmica

As três leis nas quais a Termodinâmica se fundamenta compõem um curto e conciso código de limitações ou proibições que, segundo físicos, são estabelecidas pela natureza. De acordo com este código:

• Proibição de Eficiência Perfeita: É proibida a existência de transformações de energia sem que parte dela se dissipe ou se transforme em energia não aproveitável.

• Proibição do Moto-Contínuo: São proibidos quaisquer dispositivos que se movimentem continuamente, sem consumo de energia, como o moto-perpétuo.

• Direção do Fluxo de Calor: É proibida a transferência espontânea de calor dos corpos mais frios para os mais quentes. A transferência no sentido oposto é o sentido natural e se processa até que todos os corpos atinjam o mesmo estado térmico.

• Impossibilidade do Zero Absoluto: É impossível, por qualquer processo natural ou artificial de resfriamento, atingir o mais baixo nível térmico do universo. Ele existe, tem valor numérico conhecido, mas não pode ser alcançado.

A Termodinâmica, assim como a Física Moderna, ampliou e transformou radicalmente a nossa compreensão do universo. Compreensão que tem trazido assombro e perplexidade, sobretudo pela descoberta de “proibições” estabelecidas pela natureza. Para compreendê-las melhor, há um bom caminho a percorrer.

Aplicação Prática: O Motor a Vapor de Pistão

O motor a vapor de pistão, amplamente empregado em locomotivas, funcionava a partir de uma válvula corrediça, responsável por permitir que o vapor em alta pressão entrasse em qualquer lado do cilindro.

Para que a válvula deslize, é necessária uma haste de comando, geralmente conectada a uma ligação com a cruzeta. O vapor é depois liberado na atmosfera pela chaminé da máquina.

Na locomotiva a vapor, a cruzeta normalmente se liga à haste de acoplamento, responsável pelo acionamento das rodas da locomotiva, e que, por sua vez, se conecta a uma das três rodas motrizes. As três rodas são conectadas por hastes de acoplamento de modo que girem em uníssono (juntas).