A TERMODINÂMICA PARA AUTOMAÇÃO

A MÁQUINA A VAPOR

NOME: SAMUEL BORGES

DISCIPLINA: TERMODINÂMICA PARA AUTOMAÇÃO

PROF. FERNANDA RAQUEL BRAND

Poucas invenções foram tão importantes para a história da humanidade como a máquina a vapor. Primeiro dispositivo capaz de transformar o calor em energia mecânica com eficiência suficiente para substituir a tração animal, sendo considerada uma das grandes responsáveis pela revolução industrial no século XIX.

A história da máquina a vapor tem seu início no ano 60 depois de Cristo, em Alexandria, onde viveu um homem conhecido como Heron de Alexandria.

Matemático, engenheiro e mecânico grego. Ficou conhecido por suas grandes contribuições na área da matemática. Seu trabalho mais importante no campo da geometria, a Metrica, permaneceu desaparecido até 1896.  A obra é um compêndio na forma de três livros, com muitas fórmulas e regras recolhidas de diferentes fontes por Heron. Nela há, por exemplo, áreas e volumes de figuras planas e sólidas referente à antiga Babilônia. O trabalho e estudo de Heron de Alexandria estão presentes na matemática até hoje.

Heron de Alexandria colocava seus estudos em prática, o que resultou em invenções revolucionárias, as quais foram aprimoradas no decorrer dos séculos. Dessa forma, foi ele quem deu o primeiro passo para o autômato, que a grosso modo, é um robô operado de forma automática.

Heron também inventou pequenos engenhos mecânicos como a dioptra, o odômetro, além de instrumentos precursores do termômetro, e a mais importante para o nosso estudo, a eolípila – um precursor do motor a vapor.

O funcionamento da Eolípila, a máquina a vapor de Heron, era simples. Nela, a água adicionada à caldeira era aquecida com fogo. O vapor formado alimentava a esfera por meio de dois tubos que também serviam de eixo. O vapor saia da esfera por dois tubos curvos diametralmente opostos, gerando movimento. Isso significa que o mecanismo transformava energia térmica em trabalho mecânico. Porém, a eolípila não foi colocada em prática, e até Heron não a considerava mais do que um curioso brinquedo.

A natureza das invenções de Heron explica por que, afinal, não houve uma revolução industrial na Antiguidade: quase todas eram instrumentos para divertir, e não para substituir o trabalho manual. Por outro lado, a eolipila é considerada o primeiro motor a vapor na história da tecnologia.

Mas, os avanços nessa área ficaram estagnados até o ano de 1670, quando um médico, físico e inventor francês, chamado Denis Papin criou a Marmita de Papin, que precedeu a invenção do autoclave e da panela de pressão.

Pioneiro do conceito da transmissão pneumática, inventou máquinas movidas a pressão atmosférica e a vapor, tornando-se um dos pioneiros da navegação a vapor.
Ele tornou-se mais conhecido como inventor, particularmente pelo seu trabalho com máquinas a vapor. Inventou, em 1679 um fogão de pressão e o primeiro motor de pistão, que foi utilizado por ele para bombear água para um tanque no telhado do palácio para prover água para as fontes.

No entanto, era uma máquina que aproveitava mais o movimento do ar que da pressão do vapor. A máquina era constituída de um único cilindro que servia também como caldeira. Colocava-se uma pequena quantidade de água na parte inferior do cilindro que era aquecida até que produzir vapor. A pressão do vapor empurrava um pistão acoplado ao cilindro, enquanto eliminava a fonte de calor da parte inferior. A medida que o cilindro se esfriava, o vapor se condensava e a pressão do ar na parte externa ao pistão exterior o empurrava novamente para baixo. Esse seria o projeto básico para os primeiros motores a vapor.

Papin publicou, em Paris, seu primeiro trabalho sobre máquinas a vapor. Nessa publicação apresentou o mecanismo de funcionamento de sua mais famosa e popular invenção: a bomba centrífuga (1689), uma máquina a vapor destinada elevar água de um canal entre Kassel e Karlshaven.

Em 1707 Papin  projetou uma válvula de segurança para prevenir que a pressão de vapor atingisse níveis perigosos. Outras invenções nas quais trabalhou foram a construção de um submarino, uma arma de ar e um lançador de granada.

Os estudos com a bomba centrífuga de Papin foram utilizadas por Thomas Savery para criar um mecanismo que pudesse puxar a água das minas de carvão.

Thomas Savery inventou vários tipos de dispositivos, como uma máquina para polir vidro e mármore e rodas de pás para remos e barcos com facilidade. Porém, nem todas as suas invenções foram bem reconhecidas. Savery conheceu Thomas Newcomen, outro inventor inglês associado ao desenvolvimento da primeira máquina a vapor prática.

Naquela época, a Inglaterra enfrentava uma grande escassez de madeira. A maior parte da madeira da silvicultura estava sendo usada para construção naval e lenha. Portanto, o carvão foi substituído por lenha sempre que possível. No entanto, isso significou cavar mais fundo nas minas de carvão, o que levou à possibilidade de infiltração de água nas minas. Em 1698, Savery patenteou uma máquina a vapor conhecida como “Amigo do Mineiro”. Esse motor consistia em um vaso cheio de água, no qual era introduzido vapor de alta pressão. Ao aquecer e resfriar a água, essa máquina produzia um vácuo que sugava a água das minas abaixo.

Embora o motor de Savery tivesse muitas limitações, este foi o primeiro avanço prático na construção real de uma máquina a vapor. A sua máquina a vapor foi a inspiração para desenvolvimentos posteriores nesse campo. Thomas Newcomen, entre outros inventores, usou as ideias de Savery para desenvolver um modelo mais avançado que superou as dificuldades e deficiências do original.

Thomas Newcomen foi um proeminente inventor inglês, mais conhecido por ter inventado a máquina a vapor atmosférica. Ele foi o primeiro a criar uma máquina a vapor de sucesso para bombear água.

Newcomen revisou o modelo de Savery, substituindo o recipiente de recebimento no qual o vapor era condensado por um cilindro contendo um pistão, usado por Papin. Seu motor era único em termos de funcionamento - a intensidade da pressão não se limitava à pressão do motor. Em vez disso, a pressão atmosférica empurrava o pistão para baixo, uma vez que o vapor condensado criava um vácuo no cilindro.

O aparelho de extração de água de Newcomen tinha uma grande viga de madeira que balançava sobre um fulcro central. Uma corrente do lado oposto foi presa a uma bomba. O cilindro tinha 21 polegadas de diâmetro e cerca de 2,5 metros de comprimento.