Máquina térmica
Máquina térmica, ou motor térmico, em termodinâmica, é aquela integrada num sistema que realiza a conversão de calor em trabalho mecânico. Isto se dá quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa temperatura para um estado de temperatura mais alta. A substância de trabalho transfere essa energia através de sua expansão no interior da máquina térmica acionando o sistema mecânico e realizando trabalho. Durante essa expansão, a substância de trabalho perde calor para o meio.
Em termodinâmica, máquinas térmicas são usualmente projetadas utilizando um modelo padrão, como o Ciclo Otto. O modelo teórico pode ser refinado e ampliado com dados reais de um motor em funcionamento, usando ferramentas como um diagrama indicador. Desde que o modelo padrão foi criado, poucas mudanças foram implementadas, podendo-se dizer que um ciclo termodinâmico é um caso ideal de um motor mecânico. Em termos gerais, quanto maior for a diferença na temperatura entre a fonte de calor e o dissipador frio, maior é a eficiência térmica potencial do ciclo. A temperatura baixa da máquina térmica está limitada a temperatura do ambiente, ou seja, não muito inferior a 300 Kelvin. Por isso a maioria dos esforços para melhorar as eficiências termodinâmicas das máquinas térmicas tem como foco o aumento da temperatura de origem, dentro dos limites dos materiais. A eficiência teórica máxima de uma máquina térmica é igual à diferença de temperatura entre as extremidades quentes e frias, dividida pela temperatura na extremidade quente, todas expressas em graus Kelvin, ou a temperatura absoluta.
Máquinas térmicas podem ser caracterizadas pela sua potência específica, que é normalmente dada em quilowatts (kW) ou em cavalo-vapor (cv). Essa característica oferece uma aproximação da saída de pico de potência de um motor. Isto não deve ser confundido com a eficiência de combustível, uma vez que a eficiência é elevada, muitas vezes requer uma relação de ar-combustível pobre, e, portanto, menor quantidade de potência.
O rendimento das máquinas térmicas pode ser, de uma maneira geral, a razão entre o trabalho total e o trabalho (ou calor) necessário para que ela funcione, ou seja, é o que se obtém pelo que se dá de trabalho: mas pela equação (1) podemos melhorar a equação (2): O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo: Supondo que uma máquina térmica receba 100 cal de calor da fonte e, simultaneamente, realize um trabalho útil de 20 cal. Essa máquina teria então uma eficiência, n = W Q 1 = 20 / 100 {\displaystyle n={\frac {W}{Q_{1}}}=20/100} , n = 0 , 2 {\displaystyle n=0,2} ou 20 % {\displaystyle 20\%} . Isso significa apenas 20% da energia térmica fornecida à máquina é convertida em trabalho útil sendo o restante não aproveitado pela máquina. Como a quantidade total de energia não pode aumentar ou diminuir temos: 100 = 20 + Q 2 {\displaystyle 100=20+Q_{2}}
Motor de combustão interna
O motor a combustão é uma máquina térmica comumente relacionada à automóveis. Na animação ao lado podemos observar as fases do processo e entender como a energia de determinados gases pode ser convertida em movimento, que é a justificativa para classificarmos essa máquina como uma máquina térmica, ou seja, que converte energia térmica (calor) em trabalho. A eficiência do motor a combustão é de aproximadamente 25%. Uma mistura de gases (ar e combustível) devidamente dosados por um carburador ou pela injeção eletrônica, preenche o cilindro a medida que o pistão libera espaço, mantendo o sistema a uma pressão constante. Esta mistura geralmente separa uma parte de combustível para cada 15 partes de ar, entretanto dosagens diferentes podem melhorar o desempenho do motor dependendo da necessidade. Nesta fase do processo ainda não há nenhum princípio termodinâmico envolvido.
Motor de combustão externa
São motores em que a combustão ocorre fora do cilindro. Em teoria, os motores combustão externa seriam os mais eficientes já inventados. O motor Stirling, também conhecido como "motor de ar quente" ou "motor de gás quente" opera aproveitando a expansão/retração térmica dos gases. Qualquer gás, quando aquecido expande-se e, retrai-se quando resfriado. Assim o "motor de ar quente" aproveita tal característica dos gases para criar movimento. Como a fonte de calor/combustão trabalha fora da câmara (ou cilindro), tal motor é definido como motor de combustão externa. Teoricamente, o motor Stirling seria a máquina térmica mais eficiente na conversão de energia térmica em trabalho.
Geladeira
A geladeira ou frigorífico é uma das máquinas que revolucionou a vida do homem. Entretanto, pouco pensamos sobre seu ciclo de refrigeração. Quanta física há no processo de resfriar a comida? O equipamento pode ser caracterizado como uma máquina térmica onde estamos interessados no calor dissipado, e não no trabalho realizado. Parece errado, depois de tudo o que vimos, pensar que quanto mais calor for dissipado melhor será o rendimento da geladeira, mas é exatamente isso. O processo de refrigeração é um ciclo térmico, ilustrado na imagem da esquerda. O hidrofluorocarboneto é o gás atualmente utilizado em refrigeradores e ar-condicionados. É ele quem faz o ar dentro da geladeira esfriar, graças a troca de calor por condução e por convecção. Inicialmente esse gás percorre a serpentina exterior da geladeira, também chamada de radiador, para que fique à temperatura ambiente. Essa serpentina geralmente fica atrás do equipamento, mas pode ficar em qualquer lugar desde que fique à temperatura ambiente.
Turbinas
O termo turbinas é utilizado aqui para caracterizar qualquer sistema que utilize os princípios da termodinâmica para converter algum tipo de energia em energia elétrica. A explicação resume bem essa sessão de máquinas térmicas, pois em geral o mecanismo de transformação é o mesmo: uma hélice (ou pá) que gira uma turbina, podendo esta ser um motor ou um corpo com propriedades magnéticas. Esse processo fica bem claro em uma usina nuclear, pois o calor gerado no processo (seja ele fissão ou fusão) é convertido, em parte, em energia elétrica por um processo termodinâmico. Funciona da seguinte maneira: A partir de um processo nuclear de fissão ou fusão é extraída energia de materiais radioativos, e essa energia é liberada no ambiente na forma de calor. Esse ambiente é uma câmara com água, que esquenta muito rápido e evapora, originando colunas gigantes de vapor. A câmara é completamente vedada, a não ser a superfície, que é obstruída por um conjunto de pás giratórias. Devido a imensa pressão do vapor d'água as hélices gigantes giram e liberam o gás aos poucos. Esse movimento rotatório das pás é propagado para algum eixo de motor ou corpo magnético, que vai acabar gerando energia elétrica usando os mesmos princípios de uma usina hidrelétrica, por exemplo.
