A Revolucionária Máquina a Vapor

MÁQUINAS TÉRMICAS 

A palavra máquina origina-se do grego mechane que significa qualquer dispositivo engenhoso ou invenção. Uma máquina é definida como um aparelho composto por várias partes com funções definidas.
Heron de Alexandria, que viveu por volta de 130 A.C., era um grande inventor. Catalogou os primeiros instrumentos chamados de máquinas simples: a alavanca, a roda e eixo, a roldana, a cunha e a rosca.
A máquina térmica é um dispositivo que transforma a energia interna de um combustível em energia mecânica. Também pode ser definida como o dispositivo capaz de converter calor em trabalho.
Tanto as máquinas térmicas a vapor, que operam com o vapor d'água produzido em uma caldeira, quanto às máquinas térmicas de combustão interna que operam devido aos gases gerados pela queima de combustíveis, têm seu funcionamento baseado no aumento da energia interna das substâncias envolvidas e no trabalho realizado, e tanto a energia interna, quanto o trabalho, dependem da quantidade de energia na forma de calor que foi transferida à substância.


As máquinas térmicas fazem conversão de energia? 
As máquinas devem realizar trabalho mecânico como elevar, movimentar ou misturar e seu funcionamento depende de um combustível, ou fonte de energia, logo elas transformam algum tipo de energia em energia mecânica.
Em geral, elas convertem a energia do combustível em energia térmica de um gás através do processo de combustão e o gás se expande, realizando trabalho enquanto sua temperatura diminui. 

Há conservação de energia nas máquinas térmicas? 
A conservação de energia é um Princípio que se aplica a qualquer sistema, assim como a conservação de massa.
As máquinas térmicas obedecem a Primeira Lei da Termodinâmica, pois parte da energia na forma de calor (Q) que recebem, é transformada em trabalho (T). Esta é a parte de energia útil. A outra parte é transformada em variação de energia interna, U, esta parte representa a quantidade de energia degradada ou não aproveitada, de modo que: Q = T + U.
Portanto, a soma do trabalho realizado pela máquina com o aumento da energia interna deve ser igual à quantidade de energia que lhe foi fornecida. 

E se realizarmos trabalho ao invés de adicionarmos calor ao sistema?
Segundo a Primeira Lei da Termodinâmica, deverá haver um aumento da energia interna. Esse é um caso simples que ocorre em nossa vida diária quando, por exemplo, esfregamos as mãos. O trabalho mecânico que realizamos faz com que a energia interna aumente e a mão se aqueça. O mesmo ocorre quando enchemos o pneu de uma bicicleta com uma bomba manual. 

É possível construir uma máquina que realize trabalho continuamente sem consumo de energia?
Uma máquina deste tipo chama-se moto-perpétuo ou moto contínuo e produziria trabalho a partir do nada. Isto é impossível, pois viola o Princípio da Conservação da Energia ou a Primeira Lei da Termodinâmica.
Máquinas em movimento perpétuo foram procuradas por muitos inventores e cientistas, inclusive Leonardo da Vinci. Porém, um moto contínuo não existe, pois sempre haverá perda de energia ou por atrito das peças ou por resistência do ar.
Uma polia simples, por exemplo, seria um moto contínuo se, em condições ideais (sem atrito no eixo e sem resistência do ar), girasse indefinidamente, não realizando trabalho e nem trocando calor com o meio, logo pela Primeira Lei, 0=0+U, assim U = 0, o que não viola a conservação de energia.
Só que nas máquinas reais, uma parte da energia é degradada a cada ciclo e, então, um moto-perpétuo, para funcionar teria que criar energia, o que viola o Princípio da Conservação de Energia ("A energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada de uma forma em outra").
Mesmo que toda a energia fornecida ao sistema fosse conservada, apenas uma parte seria reaproveitada para a realização de trabalho, pois pela Segunda Lei da Termodinâmica nenhuma máquina térmica converte todo calor em trabalho.
Uma máquina funciona continuamente porque opera em CICLOS, ou seja, retorna ao seu estado inicial passando por etapas intermediárias em certo intervalo de tempo.

Como é uma máquina térmica?
Basicamente, uma máquina térmica é constituída por dois reservatórios, como mostra a figura. O calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixa (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da termodinâmica e transformada parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. 


Se só uma parte do calor foi convertida em trabalho, para onde foi o resto? 
A parte de calor que não foi utilizada para a realização de trabalho é cedida para a fonte fria ou é dissipada, portanto, uma máquina térmica nunca rende o máximo.
A Segunda Lei da Termodinâmica que diz que é impossível transformar todo calor em trabalho reflete o fato de que nenhuma máquina térmica tem 100% de eficiência, portanto, o rendimento de tais máquinas é sempre inferior a 100%.

Como sabemos o quanto pode render uma máquina térmica? 
Podemos calcular o rendimento de uma máquina térmica se sabemos o quanto de trabalho ela produz (T) e o quanto de calor foi fornecido pela fonte quente (Q).
Matematicamente, podemos expressar o rendimento (R) por: R=T/Q, que resulta sempre em um valor menor do que 1 ou 100%.
Se uma máquina recebe um calor Q1 da fonte quente, cede um calor Q2 para a fonte fria e realiza um trabalho (T), segundo o Princípio da conservação de energia: Q1 = T + Q2, logo o trabalho será: T = Q1 - Q2 e, portanto, o rendimento desta máquina será calculado por: 
ou seja, , o que deixa claro que sua eficiência é
menor do que um.
Obs.: a utilização do módulo de Q2 é necessária em função da Primeira Lei.
Lembre-se: se o sistema recebe calor, a quantidade de calor é positiva (Q>0) e se o sistema cede calor, a quantidade de calor é negativa (Q<0);
Nicolas Leonard Sadi Carnot, engenheiro francês, imaginou um ciclo ideal (Ciclo de Carnot), onde a eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico é máxima, mas com seus estudos, logo percebeu que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina a vapor, o que foi a base para a Segunda Lei da termodinâmica. 

MÁQUINA A VAPOR
A primeira ideia de máquina a vapor foi à chamada "aeolipile", feita por Heron de Alexandria. Consistia em uma pequena esfera de cobre com dois caninhos torcidos, conforme mostra a figura, e que continha água em seu interior. Colocada sobre um tripé e sobre o fogo, a água fervia e o vapor que saia pelos caninhos fazia com que a esfera rodasse. 
A primeira verdadeira máquina térmica é legada ao físico francês Denis Papin que utilizou vapor para impulsionar um mecanismo com êmbolo e cilindro. Foi Papin que inventou um aparelho semelhante à panela de pressão e, para evitar que explodisse, concebeu a primeira válvula de segurança conhecida. 
Em 1698, mais de mil anos após a máquina de Heron, surgiu à primeira máquina a vapor de interesse industrial, elaborada por Thomas Savery, um engenheiro militar inglês. Essa máquina tinha por objetivo retirar água dos poços de minas de carvão, porém poderia explodir devido à utilização de vapor a alta pressão. 




Por volta de 1712, o inglês Thomas Newcomen, aperfeiçoando as máquinas de Savery e Papin, idealizou uma nova máquina térmica que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas. Sua máquina foi um sucesso na Europa durante o século XVIII.



Em 1765, James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira de aumentar sua eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado como combustível. Foi, então, que elaborou uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor e que possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, pois o movimento de rotação substituiu o de sobe e desce.
A máquina de Watt que também servia à fundição e às minas de carvão teve grande êxito e acabaram substituindo as máquinas de Newcomen, pois além da versatilidade, consumiam três vezes menos carvão que essas. Para alguns, foi à máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial. 
Foi James Watt que fixou o cavalo-vapor como unidade de medida para determinar a potência de uma máquina. Na época, considerou a carga que um cavalo poderia elevar. Hoje o cavalo-vapor é à potência necessária para elevar um metro de altura uma massa de 75 kg em um segundo. 

Foi em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas fez uma locomotiva de um só cilindro com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão. 


O motor a vapor foi utilizado nos automóveis durante o fim do século XIX e início do século XX, por mais ou menos 30 anos. O motor de maior sucesso foi fabricado por um americano chamado Stanley e esteve em uso até 1945.
O motor a vapor é uma máquina que transforma a energia térmica do vapor em energia mecânica utilizando um êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro, assim como a máquina de Watt. O combustível queima fora do cilindro, ou seja, é de combustão