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ENERGIA E ASTRONOMIA

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3ª Série

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CICLO NAS MÁQUINAS A VAPOR (I)

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Aula 20

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  • Compreender o ciclo de funcionamento das máquinas térmicas a vapor.

OBJETIVO DA AULA

©PxHere

Veículo a vapor exposto no museu de máquinas a vapor em (Canela/RS).

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Como o vapor pode ser usado para gerar eletricidade?

PARA INÍCIO DE CONVERSA

Ao sinal do(a) professor(a), responda em seu caderno:

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MÁQUINAS A VAPOR

  • As máquinas a vapor tiveram fundamental importância no período da Revolução Industrial.
  • São máquinas que utilizam o vapor d’água a alta pressão, gerado em uma caldeira, para movimentar hélices ou movimentar um pistão (figura abaixo), produzindo trabalho.

©WikimediaCommons

Motor a vapor

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No detalhe!

As máquinas a vapor impulsionaram os transportes, com o desenvolvimento de locomotivas a vapor e ferrovias.

©WikimediaCommons

Motor a vapor de uma locomotiva.

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https://ensinovirtualdequimica.blogspot.com/2014/10/a-termodinamica-e-revolucao-industrial.html

No detalhe!

A máquina a vapor inventada, em 1712, por Thomas Newcomen. Foram utilizadas na Europa, no século XVIII, principalmente para bombear água para fora das minas de carvão.

A máquina a vapor de Newcomen

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USINAS TERMELÉTRICAS

©SóBiologia

Nas usinas termelétricas, uma turbina está acoplada a um gerador, que transforma a energia mecânica em elétrica. Observe a animação ao lado:

Esquema simplificado de geração de energia elétrica numa usina termelétrica.

vapor d’água

fornalha

água

condensador

gerador

turbina

caldeira

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  • A função do condensador é resfriar o vapor, que ao circular pela serpentina (envolvida por água corrente) perde calor até liquefazer.

©SóBiologia

Por que é necessário o condensador na turbina a vapor?

CONDENSADOR

Bomba d’água

No detalhe!

  • A água a 100°C é então facilmente bombeada para a caldeira (veja animação ao lado).

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Ao comando do(a) professor(a), responda à questão abaixo:

Praticando 1

Por que a água é devolvida à caldeira na temperatura de 100 °C e não em temperatura menores?

Se a água fosse resfriada, atingindo temperaturas menores, a caldeira seria sobrecarregada com a tarefa de aquecê-la até a ebulição, ou seja, acarretaria um desnecessário consumo de energia.

https://i.pinimg.com/originals/12/b5/43/12b543f6b0ccfba5309b893fa6dc5f25.gif

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Etapas do ciclo da água no interior da turbina

  1. Caldeira: a água se vaporiza a pressão constante, aumentando seu volume - transformação isobárica (A → B);
  2. Turbina: o vapor se expande, realizando trabalho. Como as hélices da turbina e o vapor estão à mesma temperatura e a transformação ocorre rapidamente, não há trocas de calor com o meio externo - expansão adiabática (B → C);
  3. Condensador: o vapor passa para o estado líquido, trocando calor com o meio e diminuindo seu volume a pressão constante (C → D);
  4. Bomba: comprime a água até que a pressão se iguale a caldeira. Podemos considerar este processo isométrico (D → A).

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Etapas do ciclo da água no interior da turbina

Caldeira

O gráfico ao lado representa a pressão e o volume em cada etapa do ciclo no interior da turbina. Devido a sua importância para compreensão do assunto, ao comando do(a) professor(a), copie o gráfico em seu caderno.

Turbina

Bomba� d’água

Condensador

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Praticando 2

Ao comando do(a) professor(a), pesquise em livros, sites e/ou outras fontes disponíveis o que significa:

  1. Transformação isobárica:

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  • Transformação isotérmica:

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  • Transformação isométrica (também chamada de isocórica):

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  • Transformação adiabática:

Não há trocas de calor entre o sistema e o meio externo.

Mudança com pressão constante.

Mudança com temperatura constante.

Mudança com volume constante.

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O QUE VIMOS?

Professor, caso tenha alguma sugestão ou elogio para esta aula, acesse: https://forms.gle/ZuC8G4UPYMEdztJy5

Nesta aula, compreendemos o ciclo de funcionamento das máquinas térmicas a vapor.

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REFERÊNCIAS

GONÇALVES FILHO, Aurélio. Física: interação e tecnologia. Vol. 3. Aurélio Gonçalves Filho, Carlos Toscano. 2ª ed. – São Paulo: Leya, 2016.

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HEWITT, Paul G. Fundamentos de Física Conceitual – tradução Trieste Ricci. – Porto Alegre: Bookman, 2009.

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PARANÁ. Trilha Energia e Astronomia. Secretaria de Estado da Educação. Curitiba, 2023.

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POLITO, Antony M. M. A Construção da estrutura conceitual da Física Clássica. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2016.