A COMPRESSÃO ADIABÁTICA E MÁQUINA A VAPOR

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

ENGENHARIA QUÍMICA

RELATÓRIO DE FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL- COMPRESSÃO ADIABÁTICA E MÁQUINA A VAPOR

INTRODUÇÃO

As máquinas a vapor têm como princípio de funcionamento a transformação da energia térmica em energia mecânica. No qual a pressão gerada na ebulição da água aumenta a pressão interna do sistema e faz com que o vapor saia em alta velocidade gerando algum tipo de trabalho. Sendo considerada uma das grandes responsáveis pela Primeira Revolução Industrial, a invenção da máquina a vapor também revolucionou o sistema de transporte com o surgimento das primeiras locomotivas a vapor. A título de curiosidade, o assovio característico das locomotivas deriva-se da válvula que abre o cilindro para liberar a descarga de vapor, no qual se escapa com uma pressão muito alta gerando o assovio.

Já a compressão adiabática pode ser visualizada quando pressionamos um gás com muita força e de forma muito rápida. Em que, devido à variação do volume do gás motivada pela compressão, nota-se um acréscimo na temperatura em consequência do aumento da energia interna do sistema. Os motores de ignição por compressão utilizados em veículos como ônibus e caminhão, utiliza desse mesmo princípio da compressão adiabática, no qual a queima do combustível ocorre a partir do calor liberado quando o ar é altamente comprimido na câmara de combustão, o que por sua vez gera uma pequena centelha ou também chamada de faísca que é responsável por dar a partida no motor do veículo. 

OBJETIVOS

O presente relatório demonstra experimentos realizados com o objetivo de retratar como a força do vapor pode gerar trabalho devido a sua alta pressão. Já o segundo experimento retrata como a compressão de um gás pode influenciar no aumento da temperatura e gerar uma combustão.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

No decorrer do experimento das máquinas térmicas utilizando a pressão de vapor, observa-se que a água aumenta seu volume devido à mudança no seu estado físico, líquido para o gasoso. Como o volume do recipiente permanece constante é gerado um aumento na pressão do vapor, podendo esse aumento ser utilizado para realizar algum tipo trabalho. Sendo assim, podemos exemplificar alguns tipos de trabalhos gerados pela pressão de vapor:

Na máquina térmica de Heron, o trabalho realizado pelo vapor faz com que ocorra a rotação do recipiente de vidro, isso ocorre devido ao vapor da água sair em alta velocidade direcionando-se para as duas extremidades dos tubos do recipiente, podendo ser observado na imagem a seguir.

[pic 1]

Figura 1: Máquina Térmica de Heron.

O próximo experimento exemplifica o princípio do funcionamento das turbinas a vapor, no qual o vapor que sai do recipiente através de uma pequena abertura colide com as palhetas de uma ventoinha fazendo-a girar em alta velocidade.

[pic 2]

Figura 2: Rotação de uma ventoinha movida a vapor.

O último experimento a respeito do trabalho realizado pelo vapor demonstra o funcionamento das máquinas a vapor utilizadas no início da revolução industrial, em que o seu princípio de funcionamento se dá pela pressão do vapor empurrar um pistão fazendo com que a roda da máquina gire.

[pic 3][pic 4]

Figura 3: Funcionamento de uma máquina a vapor.

Podemos relacionar o funcionamento das maquinas térmicas com a primeira lei da termodinâmica, descrita pela seguinte fórmula:[pic 5]

dU = dW + dQ

Por ela podemos quantificar a energia interna por meio da soma da variação do calor com a capacidade do sistema em realizar trabalho. Quando é realizado trabalho sobre algum corpo dW é positivo. No entanto, se o trabalho é realizado sobre o gás, dW é negativo. Já se adicionarmos uma quantidade dQ de calor ao gás, sua energia interna aumenta.

No segundo experimento podemos observar o algodão entrar em combustão devido à compressão adiabática que o sistema sofre. Quando o ar é comprimido, a pressão aumenta e o seu volume diminui bruscamente não havendo tempo para troca de calor com o meio, ou seja, dQ é igual a 0. Ao contrário do experimento anterior em que o sistema realiza trabalho sobre o exterior, neste, o exterior que realiza trabalho sobre o sistema. Portanto na fórmula da primeira lei da termodinâmica dW será negativo.[pic 6]

dU = - dW + dQ

Como dQ é igual a 0, a energia interna será equivalente ao valor negativo do trabalho realizado sobre o sistema.

CONCLUSÃO

Com base no experimento realizado concluímos que a primeira lei da termodinâmica explica muitos fenômenos que ocorrem nos processos físicos e pode ser muito útil para calcular a energia interna e quantificar o trabalho realizado em um sistema. Esse conhecimento trouxe grandes avanços na época da Revolução Industrial com a invenção da máquina a vapor. Já a compressão adiabática é amplamente utilizada nos dias atuais para motores de combustão a diesel presentes em ônibus e em caminhões.