Transferência de calor

Curso de Química Tecnológica
. Técnico de Análise Laboratorial
. Técnico Fabril
Disciplina:
. Tecnologia Química, 2º ano
. Módulo 5
1
Prof Fernando Sayal
Vs 2013/2014

Instalação da apresentação no computador
1. Criar a pasta no disco C C:transferencia-de-calor
2. Fazer o download do ficheiro Mod 5-TRANSFERENCIA-DE-CALOR-vs 2013-2014.7z
3. Guardar e descompactar o ficheiro nessa pasta (solicite a password)
4. Para visualizar as simulações , instalar Adobe Flash Player
(http://aihdownload.adobe.com/bin/live/install_flashplayer11x32_mssd_aaa_aih.exe)
5. Para visualizar algumas animações , instalar
( Adobe Macromedia Shockwave Player 12.0.3.133 )
2

Conteúdos
Introdução
A Calor e temperatura.
B Expansão térmica
C Instrumentos de medição de temperatura.
D Termodinâmica - lei zero
E Capacidade calorífica
F Mudanças de fase.
G Equação de um gás ideal.
H 1ª Lei da Termodinâmica.
I Mecanismo de transferência de calor.
Coeficiente de transferência de calor.
J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
K Máquinas térmicas e frigoríficas.
Rendimento de máquinas térmicas.
L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos.
M Permutadores de calor.
N Torres de arrefecimento.
O Fornos.
3
tema

Objetivos da aprendizagem
• Compreender os conceitos básicos relativos à transferência de calor;
• Explicar os mecanismos de transferência de calor;
• Descrever o funcionamento dos Permutadores de Calor;
• Explicar o conceito de balanço energético;
• Identificar, nas áreas Industriais, a necessidade da utilização de permutadores térmicos;
• Identificar os parâmetros necessários à avaliação de eficiência de um permutador de calor.
4

Introdução
Na fase inicial deste módulo estudaremos a termodinâmica, que
envolve situações nas quais, a temperatura ou o estado físico
(sólido, líquido, gasoso) de um sistema muda, devido a
transferências de energia.
Por que a energia flui?
• Sempre que um corpo está a uma temperatura maior que a
de outro ou, inclusive, no mesmo corpo existam zonas a
temperaturas diferentes, ocorre uma transferência de
energia da região de temperatura mais elevada para a mais
baixa.
• As leis e os princípios que regem a transmissão de calor e as
suas aplicações, são de fundamental importância para os
diferentes ramos de Engenharia e suas áreas, nomea-
damente:
5

Metalúrgica processos pirometalúrgicos,
hidrometalúrgicos, fornos …
Química evaporação, condensação,
refinação, reatores …
Eletrotécnica cálculo de geradores e
transformadores …
Naval caldeiras, máquinas térmicas…
Civil aquecimento ambiental,
isolamento nas habitações …
Engenharia
Mecânica refrigeração de motores,
ventilação, ar condicionado …
Introdução
6

Introdução
7
• Importa assim ter conhecimento inicial de alguns
 conceitos,
 grandezas
 condições
associadas aos fenómenos de transferência de calor
entre corpos.
• Como em qualquer estudo, é importante delimitar e
caracterizar o que estamos realmente a estudar.
• Temos assim o conceito de sistema físico que é
precisamente uma região macroscópica do Universo,
com uma determinada dimensão e sobre a qual recai
o nosso estudo.

SISTEMA
UNIVERSO
VIZINHANÇA
Sistema: Parte do Universo
que está em estudo
Vizinhança : Região do
espaço exterior ao sistema
Universo: União sistema
com a vizinhança
Introdução
8

Vizinhança
(exterior)
Sistema
ISOLADO
Sistema
ABERTO
Sistema
FECHADO
Sistema Aberto: “ Há trocas de energia
e matéria com o meio exterior”
Sistema Fechado: “Há troca de energia,
mas não de matéria”
Sistema Isolado: “ Não há trocas nem
de energia nem de matéria.
9
Introdução
energia
matéria

SIntetizando
Sistema: Parte do Universo que está em estudo e que se encontre numa dada região do
espaço rodeada por uma superfície real ou conceptual (fronteira).
Vizinhança do sistema: Região do espaço exterior ao sistema, que pode influenciar o
comportamento ou condição do sistema (pode ser isolado do sistema).
Universo: União do sistema com a vizinhança
Sistema Aberto: Há trocas de energia e matéria com o meio exterior (lata de refrigerante
aberta
Sistema Fechado: Há troca de energia, mas não de matéria (lata de refrigerante fechada
Sistema Isolado: Não há trocas nem de energia nem de matéria (garrafa térmica perfeita)
10
Introdução

• Condições normais de pressão e temperatura: Temperatura de 0ºC e pressão de 1
atmosfera (101 325 Pa).
• Condições ambientais de pressãoe temperatura: Temperatura de 25ºC e pressão de
1 atmosfera (101 325 Pa).
• Energia: Capacidade de produzir trabalho. Pode ser imaginada como a moeda de troca
para o trabalho.
• Trabalho: um dos mecanismos de transferência de energia, sendo o produto da força
aplicada pelo deslocamento provocado na sua direção
• Potência: Relação entre o trabalho executado (ou variação correspondente de energia) e o
tempo gasto
11
Introdução
Outros conceitos

A: Calor e Temperatura
Muitas vezes associamos o conceito de temperatura com a sensação de quão quente ou
frio está um corpo quando lhe tocamos.
Desta maneira, os nossos sentidos dão-nos uma indicação qualitativa da temperatura. No
entanto, eles podem enganar-nos.
Se estivermos descalços, com pé na carpete e outro na tijoleira, esta parece-nos mais fria
que a carpete, embora estejam à mesma temperatura.
Isto acontece porque a tijoleira transfere energia como calor (dissipa-a) a uma taxa maior
que a carpete. (mais adiante)
Então precisamos de aparelhos que meçam o estado térmico de um corpo com precisão e
que não se baseiem na taxa de transferência de energia, os Termómetros.
As temperaturas dos corpos A e B são iguais:
12
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19

Temperatura
Calor
Energia Interna
Equilíbrio Térmico
Medida da energia cinética interna média
das partículas de um corpo
Energia transferida entre dois corpos que
estão a temperaturas diferentes
Soma da energia cinética interna das
partículas (movimento ) com a energia
potencial resultante das interações entre elas
Estado em que dois corpos estão à mesma
temperatura, não se transferindo energia
como calor entre eles.
13
Portanto define-se:

calor
Temperatura A > Temperatura B
 Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contacto
térmico, ocorre transferência de energia como calor, do corpo a
temperatura mais alta (A) para o corpo a temperatura mais baixa (B).
A B
 O corpo A arrefece e o corpo B aquece
 Os dois corpos vão atingir o equilíbrio térmico, logo, a mesma
temperatura.
 O tempo necessário para se atingir o equilíbrio térmico depende das
propriedades dos corpos e das vias disponíveis para a troca de energia
14

Unidades de Energia
252
4,186
British Thermal
Unit (BTU)
Caloria (cal)
Joule (J)
1055
15

Vejamos algumas animações relativas aos seguintes conceitos:
Caloria
BTU
Zero absoluto
16

Por que alguém desenhou um pipeline com estas estranhas curvas?
17
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7
th edition, Part 3, cap 19
Expansão e consequente
deformação dos carris devido a
altas temperaturas num dia de
Julho em Asbury Park, New
Jersey, (AP/Wide World Photos)
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=1335
Porque, transportando fluidos, as curvas permitem a expansão e a retração da tubagem com as mudanças de temperatura e
evitam-se assim roturas na tubagem.

Expansão (dilatação) térmica
 A dilatação térmica ocorre em corpos em que as suas dimensões (comprimento, área
ou volume) sofrem variações devido a variações de temperatura.
• O fenómeno assume especial importância em aplicações de engenharia. Por exemplo:
as juntas de expansão térmica em edifícios , auto-estradas de cimento,
caminhos de ferro, paredes e pontes,
para compensar as mudanças dimensionais que ocorrem com o aumento da
temperatura.
• Esta dilatação de um corpo é uma consequência do aumento da distância de
separação média entre os seus átomos ou moléculas constituintes.
• A temperaturas ambientes, os átomos num sólido oscilam em torno da sua posição de
equilíbrio, com uma amplitude de ~ 10-11 m e uma frequência de 1013 Hz.
• A distância média de separação dos átomos é de ~10-10 m.
18
B: Expansão Térmica

19
No termómetro
de líquido
quando a
temperatura
aumenta, o
volume
aumenta
Juntas de expansão térmica devem ser incluídas em edifícios, estradas,
trilhos de estrada de ferro e pontes para compensar a mudanças nas
dimensões que ocorrem com as variações da temperatura
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and
Engineers”, 7 th edition, Part 3
Junta de dilatação em pontes
Junta de dilatação vertical
numa parede

Expansão (dilatação) térmica linear
 A dilatação térmica linear, ou simplesmente dilatação linear, ocorre em corpos em que
o comprimento é a dimensão mais importante, como por exemplo, em cabos e vigas
metálicas.
 Por esse motivo, quando sujeitos a variações de temperatura, os corpos sofrerão,
principalmente, variações no comprimento.
 Essas variações estão diretamente relacionadas com três fatores:
 o comprimento inicial do objeto;
 o material de que ele é feito;
 a variação de temperatura sofrida.
20
http://blogdoprofessorcarlao.blogspot.com/
2008_09_01_archive.html
Vamos exercitar

21
Li , Ti
Lf , Tf
Um corpo tem um comprimento inicial Li à temperatura Ti
iLE tem um comprimento final Lf à temperatura Tf > Ti
TLL i
ou
ifiif TTLLL
α - coeficiente médio de expansão linear para um determinado material
com unidade o C -1
Esta equação tanto pode ser usada na expansão térmica quando a temperatura aumenta como na contração
térrmica quando a temperatura diminui.
Se a expansão térmica for suficientemente pequena comparada com as
dimensões iniciais do objecto, para uma variação de temperatura ΔT, o
comprimento aumenta Δ L numa relação de proporcionalidade direta.
Expansão térmica linear

22
substância
Coeficiente de
expansão linear
(α) em o C-1
aço 1,1 x 10-5
alumínio 2,4 x 10-5
chumbo 2,9 x 10-5
cobre 1,7 x 10-5
ferro 1,2 x 10-5
latão 2,0 x 10-5
ouro 1,4 x 10-5
Zinco 6,4 x 10-5
prata 1,9 x 10-5
vidro comum 0,9 x 10-5
vidro pirex 0,3 x 10-5
granito 0,8 x 10-5
plástico PVC 70 x 10-5
coeficiente médio de expansão linear de vários materiais
Para esses materiais, é
positivo. Significa um acréscimo
no comprimento com o aumento
da temperatura
Algumas substâncias como a
calcite, CaCO3 expandem-se ao
longo de uma direção, α>0 e
contraem-se ao longo de outra
α<0

Expansão térmica não linear (superficial e volumétrica)
 As dilatações superficial e volumétrica são aquelas em que prevalecem,
respectivamente, variações de área e de volume.
 Os fatores que influenciam a dilatação térmica nesses casos são os mesmos da
dilatação linear, ou seja: a dimensão inicial do material e a variação de
temperatura.
• Assim, as equações que determinam essas dilatações são muito semelhantes à
equação da dilatação linear, como se pode ver no quadro.
• É importante assinalar que os três coeficientes
apresentados se relacionam quando se trata
de um único material.
23
http://blogdoprofessorcarlao.blogspot.com/2008_09_01_archive.html

Expansão térmica superficial
24
TAAAA iif
Área
Coeficiente médio de expansão da área β=2
Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19
O aumento da temperatura do
disco provoca aumento das duas
dimensões, incluindo o raio do
orifício central

Expansão térmica volumétrica
25
substância
Coeficiente de dilatação
volumétrica (γ) em ºC-1
álcool 11,2 x 10-5
gases 3,67 x 10-3
gasolina 9,6 x 10-4
mercúrio 18,2 x 10-5
TVVVV iif
Volume
Ɣ=3Coeficiente médio de expansão do volume
Coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias
a) a barra bimetálica deforma em
curva à medida que a temperatura
muda pois os dois metais têm
diferentes coeficientes lineares de
expansão.
b) O sistema pode ser usado como
termóstato para ligar/desligar
circuitos elétricos
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”,
7 th edition, Part 3, cap 19

26
O Comportamento Invulgar da Água
Quando a temperatura aumenta de 0 C para 4 C, a água contrai-se e a sua densidade aumenta
Acima de 4 C, a água expande-se como com o aumento da temperatura diminuindo a sua densidade
A densidade de água alcança um valor
máximo de 1000 kg m-3 a 4 C
• Quando a água da superfície de um lago
congela, T=0 C,o gelo permanece na superfície
porque é menos denso do que a água líquida.
• O gelo continua formar-se na superfície,
enquanto a água mais próxima do fundo do
lago permanece a 4 C
http://trabalhodagua.blogspot.com/
Serway/Jewett,“PhysicsforScientistsand
Engineers”,7thedition,Part3,cap19
Vamos confirmar:

Exercícios: Dilatação Térmica
1. Explique porque razão a coluna de mercúrio inicialmente desce e depois sobe, quando um
termómetro é aquecido.
2. O espelho de pirex de um telescópio tem 200 polegadas de diâmetro. A temperatura no local
onde está instalado varia de -10 ºC até 50 ºC. Determine a variação máxima do diâmetro do
espelho. R= 0,00384 polegadas
3. Uma barra tem coeficiente de dilatação linear constante. Qual o gráfico que representa o
comprimento da barra em função da temperatura.
4. O comprimento de uma haste de alumínio é de 150 cm a 0ºC. Determine o seu valor a 250ºC
α(Al)= 0,0001 ºC-1 R= 150,09 cm
5. Sobre um anel de zinco de 5 cm de raio repousa uma esfera de aço de raio 5,005 cm, ambos
à temperatura de 0 ºC. Determine a que temperatura é necessário aquecer o conjunto para
que a esfera passe pelo anel. R: T~ 100ºC
6. α(Zn)= 22x10-6 ºC-1 α(aço)= 12x10-6 ºC-1
27

7- A variação do comprimento de uma barra metálica em função da temperatura é mostrada
no gráfico. Calcule o coeficiente de dilatação linear
R= 0,0001
8- Uma régua de aço foi graduada a 20ºC. Utilizando-se esta régua a 80 ºC na medida de um
comprimento, leu-se o valor de 60,00 cm. Qual o valor real do comprimento medido.
R: L=60,04 cm
9- Considere duas barras metálicas de comprimentos diferentes, á mesma temperatura e
coeficientes de dilatação linear iguais. Qual dos gráficos está correto?
L L L
T T T
10- Considere os valores β (vidro comum)= 0,000027 ºC-1 β (vidro pirex)= 0,0000096 ºC-1
A- qual o significado do valor 0,000027
B- qual o valor do coeficiente de dilatação linear do vidro
C- a temperatura de um corpo de vidro com 10 cm3 foi elevada de 100 ºC. Determine o aumento
de volume do corpo 28
L(m)
56
50
100 1300 T(ºc)

D- se em vez de vidro comum o corpo fosse de pirex, qual a dilatação.
E- explique a razão por que o vidro pirex é mais resistente ao calor que o vidro comum.
11- Uma chapa de aço de dimensões 1,5x2 m é aquecida de 20 ºC até 90 ºC. Qual a área final da
placa . α(aço)= 12x10-6 ºC-1
12- Um dispositivo eletrónico tem dois parafusos que quase se tocam, como mostra a figura,
sendo um de aço e outro de latão. A distância inicial de separação entre eles é de 5,0 µm a 27ºC.
A que temperatura se tocarão os parafusos? Assuma que a distância entre as paredes do
dispositivo não é afetada pela alteração de temperatura.
Resolução:
29

C: Instrumentos de medição de temperatura
32
http://www.cursodefisica.com.br
/termofisica/13-temperatura-
termometros.pdf
Termómetro Celsius
Anders Celsius

• A Temperatura é sem dúvida a variável mais importante nos processos industriais
• A sua medição e controlo, embora difíceis, são vitais para a qualidade do produto e a
segurança de máquinas e pessoas.
• Note-se que todas as características físico-químicas de qualquer substância se alteram de
forma bem definida com a temperatura.
• Assim sendo, uma determinada substância pode ter as suas dimensões, estado físico
(sólido, líquido, gasoso), densidade, condutividade, etc, alteradas pela mudança do seu
estado térmico.
• Então, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu
comportamento provocando, por exemplo:
 maior ou menor ritmo na produção
 uma mudança na qualidade do produto
 um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou do pessoal
 um maior ou menor consumo de energia
 um maior ou menor custo de produção.
33

• Os termómetros são dispositivos usados para medir a temperatura de um sistema.
• Baseiam-se no princípio de que algumas propriedades físicas de um sistema se alteram
quando a temperatura do sistema se altera.
• Algumas propriedades físicas que se alteram:
 O volume de um líquido
 As dimensões de um sólido
 A pressão de um gás a volume constante
 O volume de um gás a pressão constante
 A resistência elétrica de um condutor
 A cor de um objecto.
34

Termómetro comum (álcool ou mercúrio)
35
Propriedade física alterada: volume
Calibração:
0 ºC – numa mistura de água e gelo
em equilíbrio térmico à pressão
atmosférica
100 ºC – em água em ebulição à pressão
atmosférica
O nível do mercúrio sobe à medida que é
aquecido pela água no tubo

Termómetro de Gás a Volume constante
Propriedade física alterada: pressão de um volume constante
de gás
Calibração:
0 ºC – numa mistura de água e gelo em equilíbrio térmico
à pressão atmosférica, movimenta-se a coluna B
até que o topo do mercúrio na coluna A esteja no
zero da escala. A altura h indica a pressão do gás
P=Po+ ρgh
100 ºC – em água em ebulição à pressão atmosférica,
reajusta-se a coluna B até que o topo da coluna
A esteja no zero. (O volume do gás é assim
constante). Determina-se P.
Traça-se uma curva de calibração
36
O volume de gás no balão é
mantido constante subindo ou
descendo o reservatório B de
modo a manter constante o
nível de mercúrio na coluna A
Os dois pontos representam
temperaturas de referência
conhecidas (pontos de fusão e
ebulição da água)

Escalas de Temperatura mais comuns
37
• Escala Fahreinheit
é utilizada nos Estados Unidos e em
parte da Europa. Porém, a tendência é
de se usar exclusivamente nos
processos industriais de todo o mundo
a Escala Celsius.
• Escala Rankine e a escala Kelvin, que
são as escalas absolutas, são mais
usadas nos meios científicos, sendo que
atualmente usa-se quase que
exclusivamente a escala Kelvin.
http://www.automacaoindustrial.com/instrumentacao/temperatura/introducao.php
http://www.eletrodomesticosforum.
com/videos.htm

Correspondência entre escalas de temperatura
38
http://www.guia.heu.nom.br/escalas_de_temperatura.htm
http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap3/cap3-2.html
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/light_lessons/thermal/measure.html

C
5
F-32
9
K-273,15
5
F-32
9
===
Celsius Fahreinheit RankineKelvin
Com menos esforço:
Conversão de valores de temperatura
C,F,K R representam os valores da temperatura na respetiva unidade
R-491,67
9
39

Questão:
"em que temperatura o valor das escalas Celsius e Fahrenheit coincidem?"
Sugestão: resolver primeiro analiticamente.
Solução geométrica do exercício
Ajuda:
1. botão dirº do rato
2. reproduzir
40
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/noindex/temperatura-escalas-celsius-fahrenheit.html

Curiosidades
41

ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA IPTS-68
42
• O Comité Internacional de Pesos
e Medidas adotou uma Escala Internacional
de Temperatura, a IPTS (Escala Prática
Internacional de Temperatura)
• A IPTS-68 foi definida em 1968,
e substituída pela ITS-90 (Escala Internacional
de Temperatura, de 1990)
• Baseia-se em alguns pontos fixos facilmente
reprodutíveis, que correspondem a
temperaturas de mudança de estado
física de algumas substâncias puras.
IPTS-68 Pontos Fixos Temperatura
/ ºC
Ponto triplo do hidrogénio -259.34
Ponto de ebulição do hidrogénio -252.87
Ponto de ebulição do néon -246.048
Ponto triplo do oxigénio -218,789
Ponto de ebulição do oxigénio -182,962
Ponto triplo da água 0,01
Ponto de ebulição da água 100,00
Ponto de solidificação do zinco 419,58
Ponto de solidificação da prata 916.93
Ponto de solidificação do ouro 1064.43
Fonte http://pt.scribd.com/doc/60501864/9/Escala-Internacional-de-Temperatura

Medição de Temperatura
• Existem vários meios e instrumentos de medição de temperatura, tais como:
• Termómetros de dilatação de líquido,
• Termómetros de pressão de gás e de vapor,
• Termómetros de dilatação de sólidos,
• Termopares,
• Termorresistores,
• Termistores,
• Pirómetros de radiação,
• Pirómetros ópticos.
43

Termómetros: Termopar
• Constituição:
Um termopar é constituído por dois fios eléctricos de
diferentes materiais que são ligados um ao outro numa
extremidade (ponto de medição). As duas extremidades
abertas formam o ponto de compensação ou referência
• A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de
compensação depende do material dos fios
termoelétricos e da diferença da temperatura entre o
ponto de medição e o ponto de compensação.
• Para medições da temperatura, a temperatura do ponto
de compensação deve manter-se constante (p. ex. 0 °C) ou
deve ser bem conhecida, no sentido de efectuar uma
correcção adequada em mV
44
http://www2.emersonprocess.com/siteadmi
ncenter/PM%20Rosemount%20Document
s/00809-0313-2654.pdf

Quando dois metais de natureza diferente têm as suas extremidades unidas e submetidas a
temperaturas distintas, ocorre uma força eletromotriz devido aos metais distintos possuírem
densidades de electrões livres específicos
Como estão unidos nas suas extremidades permitem a migração desses electrões do lado de
maior densidade para o de menor densidade ocasionando uma diferença de potencial entre
os dois fios metálicos.
45
http://www.dem.feis.unesp.br/maprotec/educ/mcm1/termopares-
dispositivos%20utilizados%20para%20medir%20temperatura.pdf

47
http://www.dem.feis.unesp.br/maprotec/educ/mcm1/termopares-
dispositivos%20utilizados%20para%20medir%20temperatura.pdf

Amplitude de utilização
 de -200 °C a 1000 °C
Vantagens dos termopares:
• Elevadas amplitudes de temperatura
• Tempos de resposta rápidos
• Design compacto
• Elevada resistência à vibração
• Estabilidade duradoura
• Elevada robustez
Setores de aplicação:
• Indústria química
• Indústria petroquímica
• Indústria farmacêutica
• Indústria da energia elétrica
• Engenharia mecânica
• Indústria de produtos alimentares e bebidas
• Indústria mineira
• Indústria metalúrgica e siderúrgica
• Indústria de cerâmica e vidro
48

Termómetro de Resistência (Termoresistências)
Princípio de funcionamento
• A medição da temperatura com termómetros de resistência
assenta na propriedade de todos os condutores e
semicondutores alterarem a sua resistência eléctrica em
função da temperatura
Estrutura
• A resistência sensível à temperatura – geralmente, platina –
é aplicada na forma de uma bobina de medição sobre um
suporte adequado.
• Esta bobina de medição é ou fundida em vidro ou embebida
numa massa cerâmica.
• No sentido de satisfazer as exigências modernas para
dimensões mais reduzidas e valores de resistência mais
elevados, são aplicadas sobre um substrato de cerâmica
camadas finas de platina em vez de fios
49
http://www2.emersonprocess.com/siteadmi
ncenter/PM%20Rosemount%20Document
s/00809-0313-2654.pdf

Amplitude de utilização
– de -220 °C a +900 °C (depende do tipo de material)
Vantagens
• Elevadas amplitudes de temperatura
• Resistência à vibração
• Elevada imunidade ás interferências electricas
• Estabilidade duradoura
• Elevada robustez
• Elevada precisão
 Mais preciso que o termopar
Sectores de aplicação:
• Indústria química
• Indústria petroquímica
• Indústria farmacêutica
• Indústria energia electrica
• Engenharia mecânica
• Indústria de produtos alimentares e bebidas
• Indústria mineira
50

termoresistências
51
http://www.alutal.com.br/industria/produtos/pdf/05-termoresistencias.pdf

Termómetro: Pirómetro de Radiação
• O pirómetro de radiação insere-se na classe dos medidores de temperatura de não-contacto,
mais especificamente, é um termómetro de radiação
• O termo “não-contacto” refere-se ao facto do sensor não necessitar de estar em contacto
físico directo como o objecto cuja temperatura se pretende medir, utilizando a radiação
emitida por esses meios/corpos
• Os corpos incandescentes emitem radiação, infravermelha, luminosa ou ultravioleta,
dependendo da sua temperatura.
• Mesmo à temperatura ambiente os corpos radiam energia não visível, mas infravermelha.
• Aplicam se quando a temperatura ultrapassa o limite de utilização dos termopares ou
quando outros fatores tornam a medição remota conveniente.
• Podem ser fixos, dedicados à medição de um processo, ou portáteis.
Distinguem se dois tipos de pirómetros:
52
http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP080
9/Instrumenta-Temperatura.pdf

Tipos de pirómetros:
Pirómetros ópticos
Operam a temperaturas acima de 500 / 600 °C, nas quais o material começa a emitir
radiação no espectro visível (incandescência), até uns 5000 °C
Pirómetros infra vermelhos
Cobrem a faixa aproximada de 0 °C até 4000 °C, captando a energia radiante no
espectro infra vermelho. Eventualmente abrangem também o espectro visível e o
início do espectro ultra violeta
Princípio de funcionamento
A lei de Stefan-Boltzman e o corpo negro
• Esta lei resulta das experiências de Josef Stefan e das deduções de Ludwig Boltzman, e
estabelece a relação entre a temperatura de um corpo e a energia térmica irradiada.
53

• Uma das formas de apresentar a lei
I = Intensidade da radiação emitida (energia irradiada ou emitida por unidade de
tempo e por unidade de área) (W m-2 )
ε= emissividade do corpo
σ = constante de Stefan-Boltzman = 5,6704 x 10 -8 W m-2 k-4
T = temperatura do corpo (°K )
• A emissividade é definida como a relação entre a energia irradiada pelo corpo num
determinado comprimento de onda e a energia que seria irradiada por um corpo negro
neste comprimento de onda, à mesma temperatura. Assim 0 ≤ ε ≤1
• O corpo negro é aquele que apresenta ε = 1, e é considerado padrão de emissão.
• Na prática alguns corpos têm comportamento muito próximo ao do corpo negro.
Quando isto não ocorre, as medições de temperatura baseadas na lei de Stefan-
Boltzman devem ser corrigidas em função da emissividade.
54
I= εσT4

• O corpo negro é um conceito ideal, que serve de padrão, em
relação ao qual as propriedades radiativas das superfícies reais
são comparadas
• Por definição, as suas propriedades são:
 Absorve toda a radiação que nele incide (qualquer
comprimento de onda)
 Emite toda a radiação permitida em função da sua
temperatura T.
 Para uma dada temperatura T e comprimento de onda
, nenhum corpo pode radiar mais energia que um corpo
negro.
• O corpo cinzento é semelhante a um corpo negro mas tem
inferior capacidade de emissão e absorção de
radiação, estando assim mais próximo de um corpo real
55
http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html

• A radiação térmica emitida pelos corpos é desprezível fora da faixa de 300 a 2000
nanómetros, dentro da qual a radiação entre 400 e 700 nanometros corresponde ao
espectro visível.
• Esta radiação não apresenta a mesma intensidade (I) em todos os comprimentos de onda (λ),
o que pode ser observado nas curvas de emissão espectral.
• A energia total emitida, para fins de determinação da temperatura, é dada pela área
delimitada pela curva
56
Espectro Visível
frequência: 400 THz a 750 THz
Comprimento de onda: 700 nm a 400 nm
http://www.notapositiva.com/resumos/fisicoqui
mica/dosolaoaquecimento.htm

O gráfico da figura abaixo é uma ampliação logarítmica
do gráfico à direita, na região visível do espectro,
indicada pelo círculo de linha tracejada.
- O resultado confirma, de forma fiel, o que se observa na
prática.
-No caso de um metal, a radiação emitida começa a ser
visível por volta de 500ºC com um vermelho escuro,
significando que a maior parte da radiação visível está na
faixa inferior (vermelho) do espectro visível.
-A curva correspondente mostra isso claramente.
-Com o aumento da temperatura, além da maior potência,
as curvas ficam cada vez mais "horizontais", ou seja, o
espectro emitido tende para uma distribuição mais
uniforme de cores, correspondendo à tendência para o
branco na observação.
prática.
-Entretanto, a simples observação visual não permite uma
determinação precisa da temperatura. No máximo, uma
avaliação aproximada sujeita a erros grosseiros.
57http://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml

Algumas condições de escolha de pirómetros de radiação:
• O objecto a medir a temperatura está em movimento
• Está sob o efeito de campos magnéticos fortes (ex. aquecimento por indução)
• Ocorrem mudanças de temperaturas muito rápidas (ex. fundição, incineradora)
• Localização em posição inacessível (dentro de um recipiente)
• Temperaturas demasiado elevadas para um termómetro de contacto, i.e., superiores
a 1400ºC (p.ex. está dentro de um forno ou de uma fundição)
• Fisicamente inacessível para um termómetro de contacto
• Tem uma aparência translúcida ou encontra-se na fase gasosa (ex. gases de
• combustão)
• Requer medições de temperatura rápidas e frequentes.
58

Esquema genérico de um pirómetro de radiação
• Detetor de fotões: pode efectuar algumas centenas de milhar de leituras por segundo
controlados por microprocessador
• A radiação emitida pelo objeto atinge o sistema óptico do instrumento, que a conduz para
um ou mais detectores fotossensíveis.
• O detector converte a energia IV em um sinal elétrico que, por sua vez é convertido em um
valor de temperatura, que se baseia na equação de calibração do sensor e na emissividade
do alvo.
Gama de Temperaturas: 50 a 2000ºC
59
http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP0809/I
nstrumenta-Temperatura.pdf

Pirómetros
de Radiação
60
http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP0809/Instrumenta-Temperatura.pdf

Pirómetros de radiação
Vantagens
• Não há contacto físico directo
• Banda larga
• Medição relativamente independente da distância
• Tempo de resposta é excelente
• Elevado tempo de vida
• São de fácil manuseamento
Desvantagens
• Mais frágeis que os sensores eléctricos
• Escala não linear
• Não são adequados para temperaturas baixas
• Tem erro por absorção
• É necessário corrigir a emissividade
61

Pirómetro Ótico
Uma aplicação típica do pirómetro é a medição da temperatura de metais incandescentes.
Olhando pelo visor do pirómetro observa-se o metal, ajustando-se depois manualmente a
corrente eléctrica que percorre um filamento que está no interior do pirómetro e aparece no
visor. Quando a cor do filamento é idêntica à do metal, pode-se ler a temperatura numa
escala disposta junto ao elemento de ajuste da cor do filamento.
No instrumento acima a comparação é visual, e a precisão depende em parte da prática do
operador, sendo possível erro inferior a ± 5 °C.
A comparação também pode ser electrónica.
Encontram se modelos sofisticados, nos quais o olho do operador é substituído por um detetor e
a lâmpada padrão é empregada na calibração automática. O sistema incorpora um ajuste de
emissividade e é comandado por um microprocessador.
O foco pode ser automático e a objetiva pode permitir a variação do ângulo de captação
62
http://pt.scribd.com/doc/27141610/45/VIII-%E2%80%93-PIROMETROS-DE-RADIACAO

O pirómetro óptico é formado por um telescópio que contém um filtro, uma ocular e uma
lâmpada.
Através do telescópio é possível observar o filamento da lâmpada e comparar com a cor emitida
pelo sistema que estamos medindo.
Isto é possível porque o filamento da lâmpada está ligado a uma bateria, a um amperímetro e a
um reóstato que permite variar a corrente elétrica através do filamento e, portanto, a sua
luminosidade até igualá-la à do sistema
Assim teremos o valor da temperatura que está associada a valores da corrente elétrica.
63
http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/termo.htmhttp://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml

Termómetro: Termistor
Um termístor, também designado por termocondutor ou termistância, consiste num material
semicondutor sensível à temperatura
Existem dois tipos de termistores
• NTC (Negative Temperature Coefficient) – termistores cujo coeficiente de variação da
resistência é negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento da temperatura.
• PTC (Positive Temperature Coefficient) – termistores cujo coeficiente de variação da
resistência é positivo, isto é, a resistência aumenta com o aumento da temperatura.
• Um termístor é constituído por uma haste ou disco de
vários óxidos de manganésio, níquel, cobalto, cobre,
ferro e outros metais.
• Permite variações de temperatura compreendidas entre -40 ºC e 100 ºC.
64
ftp://ftp.cefetes.br/Cursos/EngenhariaEletrica/Salomao
/Instrum_Industrial/Aulas_2010_2/Termistor.pdf

Termistor
65
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/NTC_bead.jpg
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-Termistor.html
http://www.ge-mcs.com/pt/temperature/ntc-thermistors/epoxy.html

aplicações
• Proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente eléctrica quando determinada
temperatura é ultrapassada.
• Medição de temperatura (em motores por exemplo), pois podemos com o termístor obter
uma variação de uma grandeza eléctrica em função da temperatura a que este se encontra.
• Controlar / alterar a temperatura em dispositivos eletro-eletrónicos , como:
alarmes, termómetros, "relógios", circuitos electrónicos de compensação térmica,
dissipadores de calor, ar-condicionado.
66
http://www.tecwaybr.com/prod04.htm
http://www.ge-mcs.com/pt/temperature/ntc-
thermistors/epoxy.html

Termómetro Bimetálico
• Os mais conhecidos termómetros bimetálicos baseiam-se
no efeito de dilatação .
• A dilatação/contração ocorre quando duas barras ligadas,
de metais diferentes são aquecidas ou arrefecidas,
ou quando uma corrente eléctrica as atravessar.
• O conjunto aquecerá de forma desigual, o que resultará
em diferentes dilatações que irá produzir um arqueamento da barra.
• Para isso, constroem-se lâminas bimetálicas de forma espiralada que se curvam
conforme aumenta ou diminui a temperatura.
• Nesse movimento, a lâmina arrasta um ponteiro que percorre uma escala
graduada.
• Se o registo for gráfico (rolo de papel em movimento), designa-se por termógrafo.
67http://eng.powsys.com.br/index.php?option=com_content&view=ar
ticle&id=76:termometros-bimetalicos&catid=52:ii&Itemid=68

• A lâmina biimetálica consiste numa chapa composta de duas folhas de metais diferentes
passadas no laminador a temperatura bastante elevada que faz com que elas adiram
fortemente uma à outra. Também podem as duas folhas ser justapostas e soldadas .
• Ao unirmos as duas lâminas metálicas que têm coeficientes de dilatação lineares a1,a2
muito diferente, a deformação provocada pelos diferentes alongamentos, ou contrações,
das partes sob a ação de uma variação de temperatura, pode ser usada para diversas
aplicações.
• À temperatura de repouso o conjunto está na
posição (1)
• Um aumento de temperatura provoca a flexão
uniforme no sentido do comprimento de modo
que o metal A, menos sensível às variações térmicas,
permanece no interior da concavidade (posição 2), ou seja, na face côncava.
• Uma diminuição de temperatura provoca a deformação inversa (posição 3) ficando o
material A (menor coeficiente de dilatação linear) na face convexa.
68
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp

• Os materiais usados correntemente são ligas de ferro e níquel cujos coeficientes de
dilatação linear dependem da percentagem de níquel;
• se esta percentagem é de 36% obtém-se a liga INVAR com valor de α extremamente
pequeno (daí seu nome, invariável).
• O latão e o invar constituem um bom par para a lâmina bimetálica.
69

• As dimensões das lâminas bimetálicas dependem das características de robustez, de
sensibilidade e de rapidez requeridas para as suas diversas aplicações; a espessura é
geralmente compreendida entre 0,05 a 5 mm.
• Nos dispositivos com lâmina bimetálica uma extremidade da lâmina é mantida fixa e
é usado o deslocamento da extremidade livre para efetuar alguma ação.
• Tal deslocamento, eventualmente ampliado, pode ser transmitido a um indicador
móvel sobre uma escala graduada: o dispositivo, uma vez calibrado, constitui um
termómetro bimetálico (muito comum em tampas de fornos dos fogões a gás).
• É também frequente o uso de lâminas bimetálicas em aparelhos que efetuam
automaticamente a abertura e o fecho de um circuito elétrico, onde a comutação
pode ocorrer para valores preestabelecidos de temperatura. Eis uma ilustração para
um alarme contra incêndio:
70

• Aplicações típicas são constituídas pelos interruptores de pulsação automática
(intermitentes) nos quais o ligar e desligar de uma ou mais lâmpadas é comandado por
uma lâmina bimetálica aquecida por um resistor de resistência R em série com a lâmpada.
• Nas decorações de árvores de natal, uma das lâmpadas usa o próprio calor dissipado em
funcionamento para acionar um interruptor bimetálico, em série .
• Os termo-reguladores ou termostatos e os
interruptores automáticos de sobrecarga
funcionam sob este princípio das lâminas bimetálicas
71http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp

Termómetro Bimetálico
72
http://en-co.wika.de/upload/OI_53_54_55_Bimetal_Thermo_pt_13881.pdf

D Termodinâmica - lei zero
73
A lei zero da termodinâmica trata do equilíbrio térmico
http://hortaaporta.blogspot.com/2011/07/transferencias-de-energia.html

74
A termodinâmica trata das transformações da matéria nos seus
estados físicos mais comuns, sólido, líquido e gasoso
D: Termodinâmica e a lei zero
http://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/
estados-fisicos-materia.htm
http://www.novafisica.net/conteudo/cont-2-4.htm

75
Plasma
(~0 K -108 K)
Matéria
degenerada
Gasoso
Líquido
Sólido
Superfluidos (< 2,17 K)
Condensado Fermiónico (~0 K)
Condensado de Bose Einstein (~0 K)
Afinal, quantos
estados físicos
há?

76
Estado gasoso
• As partículas que constituem os gases são consideradas esféricas e os diâmetros são muito
pequenos quando comparados com as distâncias entre elas.
• As forças de interação mútuas entre as partículas têm intensidades muito pequenas, pois
as partículas estão muito afastadas umas das outras e movendo-se ao acaso em todas as
direções (a distância entre duas partículas é, à escala humana, equivalente a duas pessoas
distanciadas 300 km).
• Este movimento caótico mantém o gás “espalhado” e distribuido uniformemente pelo
volume do recipiente onde está contido.
• Daniel Bernoulii (1700-1782) admitiu que a pressão exercida por um gás, podia ser
interpretada como sendo o resultados dos choques das partículas que o constituem contra
as paredes do recipiente onde está contido.
• Num recipiente fechado, se aumentarmos a temperatura, aumenta a energia cinética das
partículas, a sua velocidade, o número de choques e a pressão do mesmo.
• Os gases não têm forma nem volume próprios.

77
Estado líquido
• Nos líquidos, a agitação molecular é menor que nos gases, mas as forças de atrção mútuas
são maiores.
• As distâncias médias entre as moléculas mantém-se constantes.
• As moléculas mantêm-se ligadas mas deslizam umas sobre as outras o que permite que os
líquidos tomem a forma do recipiente onde estão contidos.
• Não têm forma própria mas têm volume constante (a uma dada temperatura)

78
Estado sólido
• Nos sólidos, as moléculas, átomos ou iões podem vibrar em torno de posições fixas de
equilíbrio e rodar em torno do seu centro de massa, mas não podem abandonar essas
posições.
• Alguns sólidos passam diretamente ao estado gasoso, como a cânfora, naftalina e iodo
quando aquecido.
• A sublimação mostra que, em alguns sólidos, as forças atrativas não são suficientemente
fortes para impedir que algumas moléculas se escapem.
• Têm forma própria e têm volume constante (a uma dada temperatura)

• A termodinâmica explica as principais propriedades da matéria e a correlação entre estas
propriedades e a mecânica dos átomos e moléculas
• O estudo da termodinâmica envolve
Conceitos de transferências de energia, entre um sistema e seu ambiente
As variações resultantes na temperatura ou mudanças de estados.
• Questões práticas tratadas pela termodinâmica
Como um refrigerador arrefece ?
Que tipos de transformações ocorrem num motor de carro?
Porque uma bomba de bicicleta se aquece enquanto alguém enche o pneu?
79

lei zero:
80
Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada
entre eles por meio de, por exemplo, calor ou radiação eletromagnética
No equilíbrio térmico os corpos em contato térmico trocam energia à mesma
taxa temporal, daí que nenhum dos corpos varie a sua temperatura
Diz-se que estão em contato térmico os corpos que podem trocar energia uns
com os outros desta maneira
Frequentemente associamos o conceito de temperatura com a sensação de
quente ou de frio de um corpo em que tocamos
A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura
do corpo

81
Se forem colocados em contacto térmico um com
o outro, como na figura, não há nenhuma
transferência de energia entre eles
A Lei Zero da Termodinâmica (a lei do equilíbrio)
Se os corpos A e B estiverem separadamente em
equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B
estão em equilíbrio térmico entre si
A temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com
outros corpos
Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura
Se as duas leituras forem as mesmas, então A e B
estão em equilíbrio térmico um com o outro
Considere dois corpos A e B que não estão em
contacto térmico e um terceiro corpo C que será
o nosso termómetro

E Capacidade Calorífica
82
http://www.infoescola.com/fisica/calorimetria/

• Quando se fornece energia a um sistema, normalmente a sua temperatura aumenta.
• Como exceção temos os casos em que ocorre uma mudança de estado físico.
• Se o sistema consiste numa amostra de uma substância, a quantidade de energia necessária
para aumentar a temperatura de uma dada massa, varia de substância para substância.
• Por exemplo:
a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de água de 1°C é de 4186 J
a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de cobre de 1°C é de 387 J
• Na matéria a seguir vamos designar a energia transferida como calor , embora haja outros
métodos para aumentar a temperatura de um sistema.
Define-se :
Capacidade Térmica de um corpo como o calor necessário para aumentar a
temperatura desse corpo de 1 °C
Q= calor fornecido (J)
C= Capacidade térmica do corpo (J °C-1)
ΔT= variação de temperatura (°C)
83
Q=CΔT

Capacidade Térmica Mássica (ou calor específico) de uma substância como o calor
necessário para aumentar a temperatura da unidade de massa dessa substância
de 1 °C
m= massa da substância (kg)
c= Capacidade térmica mássica da substância (J kg-1 °K-1)
ΔT= variação de temperatura (°K) ou (°C)
O calor específico indica-nos essencialmente a maior ou menor sensibilidade térmica (variação
de temperatura) de uma substância perante a adição ou perca de calor.
Calor específico alto significa que é necessário mais calor para uma determinada subida de
temperatura
C (água)= 4180 J kg-1 °K-1 significa que é necessário fornecer 4180 J de calor a 1 kg
de água para que a sua temperatura se eleve de 1 °C, ou, o que é equivalente, há
libertação de 4180 J de calor quando 1 kg de água diminui a sua temperatura de
1 °K ou 1 °C
84
Q=mcΔT

Calor específico de substâncias a 25 °C e Pressão atmosférica
85

Calorimetria
• Uma técnica para medir o calor específico envolve o aquecimento de uma amostra a
uma temperatura Tx, colocando-a num recipiente contendo água de massa conhecida e
temperatura Tw < Tx, e depois medir a temperatura da água após o equilíbrio térmico ter
sido atingido Tf. Esta técnica denomina-se de calorimetria, e dispositivos utilizados para esta
transferência de energia são os calorímetros.
• Se o sistema formado pela amostra e água for isolado, o princípio da conservação da energia
implica que a quantidade de energia cedida pela amostra (de calor específico desconhecido)
é igual, em módulo, à quantidade de energia recebida pela água.
| Q fornecido |= |Q recebido |
- Q fornecido = Q recebido
- mx cx (Tf – Tx) = mw cw (Tf – Tw)
Tf = temperatura final de equilíbrio
86

F Mudanças de Fase (estado físico)
• Calor latente (ou entalpia) de fusão/vaporização
• Quando se fornece calor a um bloco de gelo a 0 °C , este funde mas a sua temperatura não
se altera permanecendo a 0 °C . Ocorre apenas uma mudança de estado físico ou de fase
Calor Latente de fusão Lf ou ΔHf é a quantidade de calor necessária para fundir
a unidade de massa da substância sem alteração de temperatura
Calor Latente de vaporização Lvou ΔHv é a quantidade de calor necessária para
vaporizar a unidade de massa da substância sem alteração de temperatura
m= massa da substância (kg)
L f / Lv = calor latente de fusão/vaporização de uma substância (J kg-1)
87
Q=mLf Q=mLv

Calores latente de Fusão e de Vaporização
88

89

Gráfico da Temperatura em função da energia fornecida quando 1,00 g de gelo a -30 °C é
convertida em vapor a 120°C
• Parte A: aumento de temperatura do gelo até 0 °C,
• Parte B: fusão da massa de gelo a 0 ° C
• Parte C : aumento da temperatura da água até 100 °C
• Parte D: vaporização da água à temperatura de 100 °C
• Parte E: aumento da temperatura do vapor até 120 °C
90
Serway/Jewett,“PhysicsforScientistsand
Engineers”,7thedition,Part3,cap20

Estados físicos
91

Exercícios: Calor específico, Condutividade térmica
1. A sensação de frio ou quente, quando se toca em vários objetos situados na mesma sala,
depende da capacidade térmica de cada um? Explique a causa dessa sensação, lembrando
que pbjetos metálicos nos parecem frios enquanto madeira ou tecido não.
2. Dois sólidos de massas diferentes, recebem iguais quantidades de calor a partir de uma
mesma temperatura inicial. A temperatura final dos sólidos é igual. Que se pode dizer acerca
das suas capacidades térmicas e dos seus calores específicos.
3. Aquece-se um líquido num recipiente. Para que haja economia na energia térmica
consumida e rapidez no aquecimento,
a. quais devem ser as principais características do material do recipiente?
b. As suas superfícies, laterais, superior e inferior, devem ter o mesmo polimento?
4. Dois corpos A e B, de massas iguais a 100 g, são aquecidos numa estufa. O gráfico mostra o
calor absorvido por cada um função da temperatura atingida.
a. O que representam as inclinações dos
gráficos. Calcule o valor de cada uma.
a. Qual o calor específico de cada corpo.
b. Se deixarmos os dois corpos arrefecerem
a partir da mesma temperatura até à
temperatura ambiente, qual dos dois
liberta mais calor.
R: a- capacidades térmicas; CA=20 cal/ºC CB=40 cal/ºC
b- 0,20 e 0,40 cal/g ºC c- o corpo B 92
Q(cal)
800
20 40 T(ºc)

Exercícios: Calor específico, Condutividade térmica
5. Tendo em conta que o calor específico da areia é pequeno, explique porque os desertos
são muito quentes durante o dia e muito frios à noite.
6. Um corpo à temperatura de 25 ºC e com a massa de 200 g e calor específico de 0,25 cal/g
ºC é colocado dentro de 500 cm3 de água á temperatura de 25 ºC. Qual a temperatura de
equilíbrio atingida. R= 15,9 ºC
7. Calcule o calor específico de um líquido a partir dos seguintes dados: 120 g do líquido são
colocados num copo de capacidade térmica 2,0 cal/ºC e o conjunto é aquecido a 100 ºC.
Colocou-se depois tudo dentro de um calorímetro de capacidade térmica 8 ,0 cal/ºC, que
continha 300 g de água a 13 ºC, resultando numa temperatura final de equilíbrio de 27,5 ºC
R: 0,5 0 cal/g ºC
8. Quando pegamos num bloco de gelo, algumas pessoas dizem que “passa frio do gelo para
a mão”. Comente esta afirmação
9. Os esquimós usam abrigos de gelo, os iglôs, para se protegerem do frio. Explique esta
situação, aparentemente ilógica.
10. Num frigorífico, o congelador fica na parte superior. Porquê? A temperatura nos
compartimentos inferiores é maior ou menor?
93

Atalhos:
D Lei zero da Termodinâmica
O Fornos.
94

G Equação de estado de um Gás Ideal
95http://www.geomeca.com/engidealgas.asp
Superfície PVT de um gás ideal

Gás ideal (perfeito)
• O modelo mais simples que se possa imaginar para um gás é o de ele ser constituído por um
grande número de moléculas que se encontram em movimento permanente e desordenado,
chocando entre si e com as paredes do recipiente.
• Existe um número muito grande de moléculas num volume macroscópico de gás.
• O volume ocupado pelas moléculas é negligenciável quando comparado com o volume do
recipiente.
• As moléculas estão separadas por distâncias médias grandes se comparadas com suas
próprias dimensões e estão em constante estado de movimento. Este movimento explica a
capacidade ilimitada de expansão de um gás.
• As moléculas são tratadas como partículas, semelhantes a bolas de bilhar rígidas, que
interagem elasticamente quando colidem.
• A velocidade do movimento das moléculas é considerada constante em módulo.
• A pressão de um gás resulta das forças de colisão exercidas pelas moléculas nas paredes do
recipiente por unidade de área da superfície do recipiente.
96
G: Equação de Estado de um Gás Ideal

Equação de estado de um gás ideal
• Verifica-se para este gás uma relação entre a pressão, o volume, a temperatura e a
quantidade de substância.
A relação entre as grandezas, PV=nRT não depende da natureza química das moléculas que
constituem o gás, isto é, gases diferentes como, oxigénio, O2, cloro, Cl2, metano
CH4, obedecem à mesma equação.
Se a densidade do gás for suficientemente baixa, todos os gases reais obedecem à equação de
estado dos gases ideais. A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressão atmosférica
comporta-se aproximadamente como um gás ideal
97
P Pressão Pa (Nm-2) atm
V Volume m3 l
N
Quantidade
de substância
mol mol
R
Constante dos
gases ideais
8,314
J mol-1 K-1
0,082
atm l mol-1 K-1
T
Temperatura
absoluta
K K

98
Vamos confirmar a equação dos gases ideais
1 desloque o êmbolo 2-clique na botija
clicar
http://www.zazzle.pt/lei_de_gas_ideal_t
_shirt-235165329835227320
Vamos treinar a
fórmula, os valores e
as unidades.

Lei de Boyle-Mariotte
99
A uma temperatura constante a pressão de
um gás é inversamente proporcional ao
volume.
• A temperatura do sistema permanece constante
(repare que o indicador de temperatura não se
move) e uma força externa exerce um trabalho
sobre o gás (aumenta o número de massas
sobre o pistão).
• Assim, enquanto o volume diminui a pressão
aumenta proporcionalmente. A massa do gás no
interior do cilindro permanece constante e na
mesma temperatura.
• Considerando um gás ideal, utiliza-se a equação PV=nRT para esta descrição.
• Repare que o termo nRT não se modifica quando a temperatura é constante (o número de
moles (n) não varia e R é, por definição, constante).
• Assim, para que o produto da pressão pelo volume permaneça constante é necessário que
a diminuição do volume seja compensado pelo aumento da pressão.

Lei de Gay-Lussac
A uma pressão constante o volume de um gás é
diretamente proporcional à temperatura.
• A um aumento na temperatura (repare o tamanho da chama e no indicador de
temperatura) corresponde um aumento proporcional no volume.
• Como a massa do gás permanece constante, isto é, não há entrada ou saída de gás do
interior do cilindro (partículas), a pressão também permanece constante. O aumento
do volume é consequência do aumento da agitação das moléculas do gás devido à
transferência de energia.
• Se for um gás ideal: PV=nRT e se a temperatura aumentar e a pressão permanecer
constante então o volume deverá aumentar proporcionalmente.
100

Simulador de Transformações Termodinâmicas
varie o volume, a quantidade química ou a temperatura de um sistema termodinâmico e
veja como as variáveis interferem umas nas outras e na pressão e trace a curva
correspondente num diagrama ajustável – clique no X
101
OBS: no slide seguinte encontra
a ajuda da simulação

• AJUDA AO SIMULADOR
• Neste simulador, poderá investigar a relação entre as variáveis termodinâmicas de um gás ideal durante as
transformações termodinâmicas, arrastando os atuadores e clicando nos cadeados.
• Clique no ícone ? e uma ajuda mostrará como pode interagir.
• Esta janela (transformações Termodinâmicas) contém explicações dos fenómenos que produzir e ajudará a
compreender os resultados. Ela pode ser movida, redimensionada e fechada.
• Há também cadeados que tornam as variáveis constantes (invariável) para que compreenda como elas interagem
com as outras.
• O ponto no diagrama percorrerá o espaço cartesiano; dica: é possível alterar as variáveis dos eixos. O bloco abaixo
do diagrama faz o ponto traçar o caminho que percorreu, para que compare os resultados etc.
• Os marcadores indicam a temperatura e a pressão do gás ideal no interior do cilindro grande.
• Com o cilindro pequeno pode variar a massa do cilindro grande.
• O dial aumenta ou diminui a intensidade da chama, adicionando energia às partículas do cilindro grande.
• São quatro as variáveis termodinâmicas que podem ser controladas:
• 1) volume: arrastando e soltando verticalmente o anel da haste do êmbolo do cilindro grande, alterando a altura da
câmara onde as partículas estão confinadas.
• 2) massa: arrastando e soltando verticalmente o anel da haste do êmbolo do cilindro pequeno altera-se o número
de partículas do cilindro grande
• 3) pressão: a força que o choque das partículas exerce nas paredes do cilindro varia em função do número de
partículas que atingem as paredes numa determinada unidade de tempo. Varia também e em função da velocidade
das partículas.
• 4) temperatura: é a medida da energia cinética média nas partículas de uma substância. Quando aumentamos a
temperatura, as partículas aumentam de velocidade, transportando mais energia, que é parcialmente transferida
quando atingem as fronteiras do cilindro.
• O autor: Eduardo J. Stefanelli
102

103

H 1ª Lei da Termodinâmica
104
TERMODINÂMICA
www.batista.xpg.com.br/listas/Termodinamica2%20.pps

Os construtores
da Termodinâmica
Qual o contributo de cada um?
E que tal investigar um pouco?
105
Sadi Carnot
1796 - 1832
James Joule
1818 - 1889
Rudolf Clausius
1822 - 1888
Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Emile Claupeyron
1799 - 1864
H: 1ª Lei da termodinâmica

A Primeira Lei
 A essência da Primeira Lei da Termodinâmica pode ser formulada, de forma simples, nos
seguintes termos :
“Em todo o processo natural, a energia do universo conserva-se.“
• A variação de energia de um sistema é igual à soma de todas as transferências de energia
que ocorrem através da fronteira do sistema
106

A primeira lei descreve processos onde apenas ocorre variação da energia interna e
as únicas energias transferidas são na forma de calor e trabalho
W=P ΔV
W= trabalho realizado (J)
P= pressão exterior a vencer (Pa)
ΔV= variação de volume do sistema (m3)
W>0 trabalho realizado pelo exterior sobre o sistema (compressão)
W<0 trabalho realizado pelo sistema sobre o exterior (descompressão)
Q>0 calor fornecido ao sistema
Q<0 calor cedido pelo sistema ao meio exterior
www.batista.xpg.com.br/listas
/Termodinamica2%20.pps
107

“Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
Processos (Transformações) Termodinâmicas
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura invariável
Isobárico Pressão invariável
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
P – pressão
T – temperatura
V – volume
U – energia interna
108
Variáveis de estado

Transformação cíclica
109

Transformação adiabática
110

Transformação isobárica
111

Transformação isotérmica
112

• Diagrama de um sistema termodinâmico
típico: uma máquina térmica cíclica.
• Parte da energia admitida - oriunda de
uma fonte quente (em vermelho, à
esquerda) - é convertida em trabalho
(movimento) - neste caso, por uma série
de pistões.
• Contudo, nas máquinas cíclicas não se
pode converter toda a energia oriunda
da fonte quente em trabalho, havendo
necessariamente uma quantidade
mínima de energia rejeitada a uma fonte
fria (em azul, à direita).
113

I Mecanismos de transferência de energia
Modos de transferência de calor:
radiação nas mãos,
condução na tenaz
convecção no ar, o qual aquece
ao percorrer o interior do tubo
do recuperador de calor.
114
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=248&Itemid=422

I: Mecanismos de transferência de energia
• O calor pode ser transferido entre sistemas por três mecanismos:
Condução
Convecção
Radiação
Condução:
• Mecanismo à escala atómica envolvendo partículas microscópicas (átomos, moléculas,
electrões)
• A transferência de energia dentro do corpo ocorre quando partículas mais energéticas, com
maior grau de vibração, colidem com partículas de menor energia.
• Ocorre normalmente em sólidos, mas também em líquidos e gases
• Imagine a seguinte situação: segure uma barra metálica e coloque uma das extremidades
numa fonte de calor (uma chama, por exemplo).
Em pouco tempo a outra extremidade da barra
estará quente e não a
conseguirá segurar.
115
http://www.colegioweb.com.br/fisica/transmissao-de-calor-e-conveccao.html

• A taxa temporal de energia ou potência térmica (P) depende das propriedades do corpo e é
expressa pela
Lei de Fourier
Q= calor transferido entre as extremidades (J)
Δ t= tempo em que decorre a transferência (s)
P= potência térmica (W)
K= condutividade térmica da substância (W m-1 °C -1 )
A= área da secção reta do corpo (m2)
L= comprimento ou espessura do corpo (m)
Tq; Tf = temperaturas da face quente e da face fria (°C)
116
Tq
A
Tf
L
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Berenice/aula3.html

• Condutividade térmica
• K sólidos > K líquidos > k gases - uma vez que as ligações atómicas são mais fortes nos
sólidos e a proximidade das partículas é maior que nos líquidos e, as destes, mais fortes que
as dos gases
117
http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html

Outras situações
118
Condução através de
dois painéis diferentes
em contacto. Em
regime estacionário, a
taxa de transferência
através do painel 1 é
igual à que atravessa o
painel 2
Condução de calor através
de uma barra uniforme e
Isolada de comprimento L.

119
 Outra grandeza interessante relacionada com a condutividade térmica é o
Coeficiente de transferência de calor U
 A relação entre a condutividade térmica e o coeficiente de transferência de calor é dada
por U=K/L
 Ela traduz uma relação da espessura do sistema com a característica térmica do material.
 É normalmente utilizada quando se tem um sistema composto por diversas camadas de
diferentes materiais e espessuras, permitindo assim a obtenção de um coeficiente global
de transferência de calor do sistema.
 O valor de U corresponde à quantidade de energia, sob a forma de calor, que passa num
segundo através de 1m² de superfície, quando a diferença de temperatura entre o interior e
o exterior do sistema é de 1 K
P = UAΔT
P= Potência térmica (fluxo térmico) (W)
U= coeficiente global de transferência de calor (W m-2 C-1 )
ΔT= diferença de temperaturas entre as faces exteriores ( C)

Material K (W/(m.K)
Diamante 2300
Prata 426
Cobre 398
Alumínio 237
Tungstênio 178
Ferro 80,3
Vidro 0,72 - 0,86
Água 0,61
Tijolo 0,4 - 0,8
Madeira (pinho) 0,11 - 0,14
Fibra de vidro 0,046
Espuma de
poliestireno
0,033
Ar 0,026
Espuma de
poliuretano
0,020
120
http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica
Material U
(W/(m2ºC)
Blocos de vidro 6,4
Vidro duplo 2,3 a 2,6
Vidro simples comum 6,2 a 6,4
Blocos cerâmicos 2 2,45
Cimento esp 12 cm, cerâmica 0,5
cm
3,58
Cimento simples esp 5 cm 5,5
Cimento simples esp 10 cm 4,4 a 4,7
Cimento simples esp 20 cm 3,7
Tijolos 2 furos circulares 2,43
Tijolos maciços 10x6x22 cm, esp
total 10 cm
3,7
Telhas de barro esp 1 cm c/ forro
de cimento esp 3 cm 2,24
Telhas de barro esp 1 cm sem
forro
4,55
Telhas de fibrocimento esp 0,7
cm c/forro de cimento esp 3 cm 2,25
http://www.mspc.eng.br/termo/trc_01E0.shtml

Convecção
• A convecção é o mecanismo da transferência de calor
que se observa nos fluidos, gases e líquidos.
• Ocorre devido a uma diferença de densidades no fluido.
• Este mecanismo de transferência de calor pode ser observado quando se usam
– Aparelhos de ar condicionado
– Aquecedores a óleo
– Frigoríficos
– Recuperadores de calor
– Aquecimento de água, etc
121
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Convection.gif

• Alguma vez, provavelmente aqueceu as mãos colocando-as por cima de uma chama.
• Nesta situação, o ar diretamente acima da chama é aquecido e expande. Como resultado, a
densidade do ar diminui e ele sobre. Este ar aquecido irá aquecendo as mãos à medida que
sobre.
• A energia é transferida por convecção quando é transferida pelo movimento de uma
substância quente.
O processo denomina-se:
Convecção natural quando este movimento resulta da diferença de
densidades, como o ar circundante de um aquecedor, de
um fogo ou o vento entre o mar e a terra.
Convecção forçada quando a substância aquecida é forçada a mover-se por
meio de uma bomba ou ventoinha, como nos sistemas
de aquecimento a ar ou água.
122

• Se não se verificassem as correntes de convecção seria
muito difícil aquecer, por exemplo, água.
• Quando água é aquecida num recipiente, as camadas
inferiores são aquecidas primeiro. Esta água expande-
se e sobe para o topo devido à diminuição da densidade
• Ao mesmo tempo, a água mais densa da superfície
desloca-se para o fundo do recipiente onde é aquecida.
• O mesmo processo ocorre quando uma sala é aquecida
por um aquecedor.
• Este movimento de fluido é denominado uma corrente
de convecção.
123
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Convection.gif

Radiação
Considere a situação:
• Um corpo quente é colocado dentro de um recipiente de vidro fechado a vácuo. Com um
termómetro colocado do lado de fora desse recipiente percebe-se que acontece variação da
temperatura do ambiente.
• É de se concluir que a transferência de calor, nesse caso, não aconteceu por condução ou por
convecção, pois esses processos só acontecem quando há meio material.
• Neste caso a transmissão do calor foi feita por meio de outro processo que se chama
radiação térmica. O calor que aquece a Terra todos os dias, chega até nós através do mesmo
processo.
Rever capítulo C: Instrumentos de medição de temperatura,
Item: Pirómetros de radiação
124

OPERAÇÃO DO PROCESSAMENTO TÉRMICO EM ALIMENTOS
OPERAÇÃO DO PROCESSAMENTO TÉRMICO EM ALIMENTOS
A historia da eliminação dos microrganismos nos alimentos preparados iniciou-se com Nicholas
Appert, um confeiteiro francês que colocou alimentos em garrafas de vidro, tapou-as com
rolha e aqueceu-as em água fervente. A maioria dos alimentos assim tratados não se
deteriorou e ele anunciou esta descoberta em 1810. Naquela época a microbiologia era
desconhecida e Appert foi incapaz de explicar por que o seu método era eficaz. Ele
acreditava que com a combinação do calor e a remoção do ar prevenia a tendência a
decomposição dos alimentos. Cinquenta anos depois, Louis Pasteur demonstrou que certos
microrganismos são responsáveis pela fermentação e decomposição dos alimentos.
OBJETIVOS DO PROCESSAMENTO TÉRMICO NOS ALIMENTOS
O tratamento térmico dos alimentos é necessário a fim de:
• Reduzir a flora microbiológica presentes nos alimentos,
• Evitar as alterações produzidas por microrganismos patogénicos.
Os quatro principais objetivos da aplicação dos tratamentos térmicos são:
• Destruir os microrganismos que podem afetar a saúde do consumidor,
• Destruir os microrganismos que possam alterar as propriedades dos alimentos,
• Desativar qualquer ação enzimática,
• Otimizar a retenção dos fatores de qualidade a um custo mínimo. 125

O tratamento térmico depende de:
• A resistência térmica dos microrganismos e enzimas presentes no alimento,
• O conteúdo inicial microbiano presente no alimento antes do tratamento,
• O pH dos alimentos,
• O estado físico do alimento (líquido, pastoso, pó, etc.).
A designação de tratamento térmico pode englobar todos os processos que têm como objetivo a
destruição dos microrganismos através da aplicação de calor. Estamos a referir a
pasteurização e esterilização, utilizados para a destruição microbiana presente nos
alimentos.
• Pasteurização: implica a destruição, por meio da aplicação de calor, de todos os organismos
em estado vegetativo, que iriam provocar doenças, ou a destruição / redução do número
daqueles organismos que iriam produzir alterações em determinados alimentos, com um pH
inferior a 4,6. Nestes alimentos apenas os microrganismos que se desenvolvem são os que
alteram os alimentos, mas que não são patogénicos ao homem.
126

• Esterilização: significa a destruição de todos os microrganismos e seus esporos viáveis, e que
podem causar doenças ao homem. Para isto, utilizam-se técnicas apropriadas por meio da
aplicação de temperaturas superiores a 100°C.
• A figura mostra o tipo de tratamento térmico nos diversos tipos de alimentos embalados.
Alimento 1 e 2: aquecimento por convecção
Alimento 3: aquecimento por convecção e também por condução
Alimentos 4 e 5: aquecimento por convecção
127
http://abgtecalim.yolasite.com/resources/Processamento%20T%C3
%A9rmico%20e%20Trocadores%20de%20Calor.pdf

128
http://www.uff.br/fisicoquimica/docentes/raphael/didatico/maquinaavapor.htm

Ciclo de Carnot
• Define-se ciclo de Carnot como um processo cíclico reversível que utiliza um gás perfeito, e
que consta de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, tal como é mostrado na
figura.
• Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro
francês e que tem funcionamento apenas teórico (ainda não foi possível criar uma Máquina
de Carnot).
• Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente,
permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria).
129
SADI CARNOT
French engineer (1796–1832)
http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica

• O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma
máquina térmica pode ter trabalhando entre duas dadas
temperaturas, da fonte quente e da fonte fria ( o rendimento
nunca chega a 100%).
• Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um
sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias,
continuamente. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade
de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente
convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte
fria (energia dissipada)
• Por exemplo, numa locomotiva a vapor, a caldeira representa a
fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de
calor. Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é
convertida em trabalho mecânico. A outra parte dessa energia,
chamada energia dissipada, é libertada para a atmosfera, que,
representa neste caso a fonte fria
130

O ciclo de Carnot
(a) No processo A a B, o gás expande-se
isotermicamente quando em
contacto com o reservatório à
temperatura Th.
(b) No processo B a C, o gás expande-se
adiabaticamente (Q=0).
(c) No process C a D, o gás é comprimido
isotermicamente quando em
contacto com o reservatório à
temperatura Tc < Th.
(d) No process D a A, o gás é comprimido
adiabaticamente.
A seta no pistão indica a direção do seu
movimento durante cada processo
131

132
Detalhando os processos do ciclo

133

134

135

• O rendimento térmico de um ciclo de Carnot pode ser expresso em função das temperaturas
absolutas
• Admite-se que uma máquina térmica funciona segundo um ciclo, no qual todos os processos
são reversíveis.
• Revertendo o ciclo, a máquina térmica transforma-se numa máquina frigorífica.
• Obs: no capítulo seguinte estudaremos melhor os conceitos de rendimento e eficiência das
máquinas
136
quente
fria
T
T
1η

Máquinas frigoríficas
• Segundo o postulado de Clausius, é impossível transferir
energia sob a forma de calor de forma espontânea, de uma
fonte fria para uma fonte quente. Para que tal aconteça, é
necessário fornecer trabalho ao sistema, e, nesse caso,
temos uma máquina frigorífica.
• As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca
congeladora, recebem trabalho (através da energia
eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de
modo a retirarem energia sob a forma de calor do seu
interior, transferindo-a por condução para o exterior.
• Deste modo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma
temperatura baixa, próxima de 0 ºC, enquanto que a parte
de trás de um frigorífico está normalmente a uma
temperatura superior à do meio ambiente onde se
encontra.
• O princípio de funcionamento de uma máquina frigorífica
encontra-se esquematizado na figura
137
http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=576&ordem=3

Exercício
a) Se TH = 1200 K e TC = 300 K, qual a eficiência térmica?
b) Se TH = 500 °C e TC = 20 °C e W ciclo = 1000 kJ, quanto é QH e QC em kJ?
c) Se η=60% e TC=4,4 °C, quanto é TH?
d) Se η=40% e TH=727 °C, quanto é TC?
Respostas:
a) 75%
b) b) QH=1610 kJ e QC= 610 kJ
c) 420,73 °C
d) 327 °C
139

Ciclo de Otto (motor a gasolina)
1 → 2 calor é transferido a volume constante
2 → 3 expansão adiabática; trabalho é realizado
3 → 4 calor é rejeitado a volume constante
4 → 1 o gás é comprimido adiabaticamente
%25gasolina
http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/
closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html
140

2 → 3 calor é transferido a volume constante
141

Nesta animação um cilindro dotado de êmbolo é carregado e descarregado com massa, variando a força,
volume e pressão. Um bico de gás fornece energia térmica ao sistema, fazendo a função da explosão nos
motores de combustão interna. A curva característica do ciclo termodinâmico de Otto é traçada no diagrama
PV (Pressão x Volume).
Este ciclo termodinâmico está presente, por exemplo, em motores a combustão interna, que utilizam
combustíveis com alto poder calorífico e que queimam rapidamente (explosão), elevando a pressão no
interior do cilindro enquanto o volume permanece constante.
Um motor de automóvel movido a gasolina ou álcool funciona sob este ciclo.
142
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/p_otto.html

Ciclo de Diesel
1 → 2 calor é transferido a pressão constante
%40diesel
http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems
/closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html
143

Ciclo de Diesel
2 → 3 calor é transferido a pressão constante
144

Nesta animação um cilindro dotado de
êmbolo é carregado e descarregado com
massa, variando a força exercida no gás em
seu interior, o volume e a pressão.
Um bico de gás fornece energia térmica a
este sistema, fazendo a função da explosão
nos motores de combustão interna. A curva
característica do ciclo termodinâmico
Diesel é traçada no diagrama PV (Pressão x
Volume).
Este ciclo termodinâmico está presente, por
exemplo, em motores a combustão interna,
que utilizam combustíveis que queimam
vagarosamente, empurrando o êmbolo e
expandindo seu volume, enquanto a
pressão no interior do cilindro permanece
constante. Motores estacionários movidos
a gasóleo funcionam sob este ciclo
145http://www.stefanelli.eng.br/webpage/p_diesel.html
Ciclo de Diesel

Atalhos
D Lei zero da Termodinâmica
O Fornos.
146

K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna
147
Motor de automóvel, de 8 cilindros
Motor de automóvel, de 4 cilindros

• Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de
temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e
transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência.
• Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho,
transferindo, portanto, menos calor na fonte fria.
• As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão
térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico.
• Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas
máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se,
deslocando o pistão e realizando trabalho.
• Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, todas recebem calor de uma fonte
quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc), rejeitam
o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte fria e funcionam por
ciclos.
• As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam
normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de
trabalho.
148

Um pouco de história
• 530 AC: Teodoros (Grécia) - criou o aquecimento central do templo de Diana usando o
pode de expansão do ar quente.
• 280 AC: o engenheiro Philon de Bizâncio descreveu um aparelho que demonstrava a
relação entre a expansão do ar e a variação de temperatura, que é considerado como o
precursor do termómetro.
• 20 DC: engenheiro grego Heron de Alexandria descreve num livro seu um dispositivo
semelhante ao de Philon, bem como apresenta, também, a descrição de uma máquina a
vapor – a Eolípila (do latim Aeolipyla, que significa “porta de Eola”) -, isto é, uma esfera
oca com dois tubos recurvados e presos na mesma. Fervendo então a água contida na
esfera, o vapor de água resultante, ao escapar pelos tubos, fazia a mesma girar.
• 1615: o engenheiro francês Salomon de Caus (1576-1626) publicou o livro intitulado Les
Raisons des Forces Mouvantes (“As Razões das Forças Moventes”) no qual descreveu um
sistema, baseado nas ideias de Heron, que poderia ser usado para elevar água por meio
do fogo.
• 1679: o médico e físico francês Denis Papin (1647-1712) inventou o digestor de calor
(hoje conhecida como panela de pressão) que era constituído por um tubo com uma
tampa apropriada que confinava vapor de água no interior do mesmo, até que uma alta
pressão fosse conseguida e, com isso, o ponto de ebulição da água aumentava
consideravelmente 149
http://www.cursodefisica.com.br/curiosidades/206-uma-breve-historia-das-maquinas-termicas

• 1689: Papin inventou uma bomba centrífuga, que era uma máquina a vapor destinada a
elevar água de um canal entre as cidades alemãs de Kassel e Karlshaven
• 1698: o inventor e engenheiro inglês Thomas Savery (1650-1715) desenvolveu um tipo de
máquina a vapor, que era um dispositivo que produzia vácuo pela condensação de vapor de
água. Tal dispositivo, ao ser ligado com um tubo longo e mergulhado no interior de uma mina
de carvão alagada, aspirava água devido à formação do vácuo. Por essa razão, esse dispositivo
(que foi patenteado) ficou conhecido como o amigo do mineiro.
• 1705: o inventor e engenheiro inglês Thomas Newcomen (1663-1729), aperfeiçoou a
máquina de Savery ao construir cilindros polidos nos quais pistões (êmbulos) se ajustavam. O
movimento de vaivém desses pistões devia-se, respectivamente, à expansão do vapor, já que,
por causa do resfriamento decorrente dessa expansão, havia a formação de vácuo e,
consequentemente, a pressão atmosférica baixava o pistão. No entanto, como a água
destinada a condensar o vapor esfriava também o cilindro, desse modo, grande quantidade
de calor era desperdiçada. Apesar dessa limitação, a máquina de Newcomen foi utilizada por
vários anos.
• 1763: A primeira máquina a vapor com dois cilindros foi projetada pelo mecânico e inventor
russo Ivan Ivanovich Polzunov (1728-1766), em 1763. Ela foi construída no dia 30 de maio de
1766, três dias antes de ele morrer. Registe-se que um modelo da máquina de Polzunov se
encontra no Museu de Barnaul, na Rússia, e que ainda hoje é colocada em funcionamento
(en.wikipedia.org/wiki/Ivan_Polzunov).
150

• 1765: o engenheiro escocês James Watt (1736-1819), contornou o problema da máquina de
Newcomen ao inventar o condensador – um dispositivo isolado para arrefecer o vapor de
água – e adaptá-lo à máquina de Newcomen. Em 1769, Watt patenteou a sua invenção e
começou a comercializá-la. Além disso, continuou o seu aperfeiçoamento.
• 1782: Watt abandonou o uso da pressão atmosférica para baixar os pistões, e passou,
então, a utilizar o próprio vapor para realizar essa tarefa. Desse modo, o vapor entrava
alternativamente nas duas extremidades do pistão, e este, portanto, tanto empurrava como
aspirava o vapor. Em vista disso, esse seu novo invento ficou conhecido como máquina de
ação dupla
• 1783; Watt introduziu a definição de cavalo-vapor (CV) *“horse-power” (HP)], ao usar um
robusto cavalo e mostrar que ele poderia elevar à altura aproximada de 1,20 m, um peso de
68 kg num segundo. Hoje, essa unidade de potência, no sistema Internacional recebe o
nome de watt, em sua homenagem.
• 1803: o general e engenheiro militar francês Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753-
1823) estudou o baixo rendimento das máquinas a vapor (5-7%) usando o conceito de
energia potencial.
151

• 1824: O estudo do rendimento da máquina a vapor iniciado por Lazare Carnot, em 1803,
foi retomado por seu filho, o físico francês Nicolau Léonard Sadi Carnot (1796-1832. Carnot
descreve uma máquina ideal, sem atrito, que realiza um ciclo completo, de modo que a
substância usada – vapor, gás ou outra qualquer – é levada de volta a seu estado inicial. Desse
modo, Carnot afirmou: - A potência motriz do fogo (calor) é independente dos agentes
utilizados para a produzir; a sua quantidade é determinada somente pelas temperaturas dos
corpos entre os quais, no resultado final, ocorre a transferência de calor. Nesse ciclo, mais
tarde conhecido como ciclo de Carnot, o calor era transformado em “força mecânica” e essa
transformação dependia apenas da diferença de temperatura absoluta entre a da fonte
quente (caldeira: TQ) e a da fonte fria (condensador: TF).
• 1825: uma aplicação prática da máquina a vapor, foi a locomotiva a vapor – a Active -
construída pelo engenheiro e inventor inglês George Stephenson (1781-1848). Com essa
locomotiva ele transportou, em 17 de setembro de 1825, pela primeira vez, 450 pessoas no
trajeto Darlington-Stockton, na Inglaterra, com uma velocidade de 24 km/h. Em 15 de
setembro de 1830, construiu uma nova locomotiva a vapor - a Rocket -, que desenvolvia uma
velocidade de 58 km/h, usada no trajeto Liverpool-Manchester.
• 1794: o engenheiro inglês Robert Street patenteou o primeiro motor de combustão interna
(MCI) que consistia num pistão ligado a um braço articulado que operava uma bomba de
água.
152

• 1826: o engenheiro inglês Samuel Brown patenteou o motor a gás
• 1838: o engenheiro inglês William Barnett construiu o primeiro motor de dois tempos (MCI-
2T) (“two-stroke”) usando uma bomba externa de ar e combustíve.
• 1860: o engenheiro francês Jean Joseph Étienne Lenoir (1822-1900) patenteou MCI-2T que
utilizava válvulas tubulares deslizantes e tendo o gás de iluminação como seu principal
combustível .
• 1862: o engenheiro francês Alphonse Eugène Beau de Rochas (1815-1893) patenteou o
princípio do MCI com um “ciclo de quatro tempos” (MCI-4T)
• 1876: o engenheiro alemão Nikolaus August Otto (1832-1891) construiu o MCI-4T proposto
por Beau de Rochas. Nesse tipo de motor, uma mistura de gás de carvão (usados nas
cidades) com ar era queimada formando gases quentes, que se expandem rapidamente e
empurram os pistões do motor, levando-os a mover-se em quatro tempos – o famoso ciclo
Otto.
• 1879: o engenheiro russo Ogneslav Stefanovich Kostovich (1851-1916) começou a
construir um motor Otto que funcionaria com combustível líquido leve, e que foi concluído
em 1883.
• 1883: Um outro tipo de máquina térmica foi construído pelo engenheiro sueco Carl Gustav
Patrik de Laval (1845-1913). Trata-se da turbina a vapor (de impulsão e de reação), que
atingia a velocidade de 42.000 rotações por minuto (rpm), e usada como desnatadeira
(máquina para tirar nata ou gordura do leite) 153

• 1885: o engenheiro alemão Gottlieb Wilhelm Daimler (1834-1900) patenteou o primeiro
MCI no qual usou vapor de gasolina em lugar de gás de carvão, cuja ignição, diferente da
chama permanente como Otto fizera, em 1876, era feita com um sistema de ignição
elétrica.
• 1892: o engenheiro alemão Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913) patenteou o hoje
famoso ciclo Diesel, no qual a temperatura e a pressão no cilindro de um motor Otto eram
mantidas constantes durante a combustão; desse modo, muito mais calor era assim criado
e que se transformava em energia. Um ano depois, em 1893, Diesel construiu o primeiro
MCI usando o ciclo que havia idealizado, usando, no entanto, óleo pesado em vez de
gasolina.
• Como conclusão, é interessante destacar que a fissão nuclear descoberta em 1938
substituiu o combustível (inicialmente sólido e depois líquido) para vaporizar a água nas
máquinas térmicas, resultando nas atuais centrais nucleares.
154

A primeira máquina a vapor
155
http://www.feiradeciencias.com.br/cientistas/watt.asp
James Watt
(1736 - 1819)

A máquina de Watt
156
http://viktor-aeradasmaquinas.blogspot.com/2010/09/o-escoces-james-watt.html

O vapor proveniente da caldeira entra (A) pela extremidade esquerda do cilindro,
empurrando-o para a direita.
O vapor que estava à direita escapa pela saída €. Uma válvula deslizante desloca-se
então para a esquerda, fechando a entrada de vapor e abrindo a entrada da direita.
Nesse instante o pistão recebe a pressão dessa nova entrada de vapor e desloca-se
para a esquerda. Um novo movimento da válvula deslizante permite a entrada de
vapor à esquerda e o ciclo se repete.
157
A máquina térmica de Watt deu origem a novos modelos mais aperfeiçoados, onde
se destaca aquele usado nas locomotivas a vapor.

Vídeos de motor a vapor (clique na foto)
158http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/Steam_engine_operating.ogv
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/St
eam_engine_in_Science_Museum_Power_gallery.ogvhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica

159
http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-a-vapor1.htm

http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/rankine.html
160

161

163
http://www.uff.br/fisicoquimica/docentes/raphael/didatico/maquinaavapor.htm
Funcionamento da locomotiva a vapor segundo um Ciclo de Carnot:. A cor rosa o "vapor vivo", procedente da
caldeira, entrando no cilindro. A cor azul o vapor exausto que escapa do cilindro.

Motor de combustão interna
O motor baseado no ciclo ideal
Otto caracteriza-se por ter uma
ignição por faísca. Este tipo é o
mais comum em automóveis de
passeio e motocicletas. Existem
processos alternativos em motores
experimentais para iniciar a queima
como o uso de microondas ou uma
injeção piloto.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna
164

Motor a Explosão
165

166
•Etapa de O para A: o pistão move-se para baixo, a mistura gasosa de ar e gasolina entra para o cilindro, à pressão
atmosférica, e o volume aumenta de V2 para V1. Assim, entrou energia para o sistema (interior do cilindro) sob a
forma de energia potencial química das moléculas de gasolina.
•Etapa de A para B: o pistão move-se para cima e comprime adiabaticamente (sem que hajam trocas de energia
sob a forma de calor) a mistura gasosa, do volume V1 para o volume V2. Deste modo, a temperatura da mistura
aumenta de TA para TB, e há a realização de trabalho sobre o gás.
•Etapa de B para C: a mistura gasosa está muito comprimida e encontra-se a uma temperatura superior à inicial,
ocorrendo então uma pequena descarga eléctrica que provoca a combustão da mistura gasosa . Durante o curto
espaço de tempo que dura esta etapa, a pressão e a temperatura no interior do cilindro aumentam rapidamente,
com a temperatura a aumentar de TB para TC. No entanto, o volume permanece praticamente constante devido ao
intervalo de tempo ser muito curto, logo, não existe trabalho realizado pelo sistema, ou sobre o sistema.
http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=578

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