Se a primeira lei da termodinâmica nada mais é do que a lei da conservação da energia adaptada para os estudos dos fluxos de calor, o estudo mais detalhado de suas aplicações nos mostrou que, na prática, sempre existem perdas de energia num sistema real, pois é impossível desprezar forças de atrito, perdas de calor no revestimento das peças, entre outros fatores, que incluem a própria natureza física do calor.

As máquinas térmicas, que funcionam segundo princípios da termodinâmica, operam em ciclos, ou seja, retornam periodicamente ao estado inicial para, em seguida, repetirem as operações que permitem extrair delas o trabalho desejado, a partir da entrada de energia na forma de calor.

Assim sendo, elas também estão sujeitas às perdas, o que significa que apenas parte da energia fornecida na entrada do sistema térmico efetivamente é aproveitada para gerar energia mecânica (movimento) ou eletricidade.

Numa máquina a vapor, por exemplo, o equipamento retira calor (Q₁) de uma fonte quente para gerar o trabalho (W), mas parte desse calor é perdido para uma fonte fria (no caso, o condensador).

Essa situação ocorre também na geladeira: a fonte fria é o congelador e a fonte quente é o meio ambiente. Já nos motores de combustão, que usam o meio ambiente como fonte fria, parte do calor sai para a água de refrigeração nos radiadores e pelos gases de escapamento.

Esse fato físico pode ser mensurado por uma grandeza denominada rendimento (R).

 

2. RENDIMENTO TÉRMICO

 

Figura 1: Rendimento Térmico.

 

Nota: Máquinas térmicas trabalham com um determinado “desperdício” de energia, que deveria ser utilizada, mas não é, já que não participa da geração do trabalho desejado (em Q₂). É essa perda que pode ser avaliada através da medida do Rendimento Térmico desse dispositivo.

 

O rendimento de uma máquina térmica pode ser escrito como:

                                R = W / Q₁                  (1)

As máquinas térmicas mais eficientes são aquelas que conseguem transformar o máximo possível da quantidade de energia que recebem em trabalho, minimizando as perdas de calor (Q₂). Esse rendimento é expresso na forma de porcentagem.

Dessa discussão, podemos concluir que, se tivéssemos uma máquina que não rejeitasse calor (Q₂), ela teria rendimento de 100%. Mas isso não é possível nem nas máquinas projetadas pelo homem e nem em processos da natureza.

O processo de aquecimento de um corpo é um processo desordenado, no qual a transferência de energia acontece por conta de inúmeros choques entre moléculas. Então, transformar uma energia “desordenada”, como o calor, num tipo de energia mais “ordenada”, como é o trabalho mecânico, é um processo que envolve perdas naturais.

Por conta disso, Lorde Kelvin enunciou assim a Segunda Lei da Termodinâmica:

 

“É impossível construir uma máquina térmica que consiga transformar em trabalho todo o calor a ela fornecido”.

 

3. TURBINA A GÁS

Turbinas são dispositivos que utilizam princípios da mecânica e da termodinâmica para funcionarem. As turbinas do tipo a gás operam dentro de um ciclo termodinâmico denominado de Ciclo Brayton.


Turbinas de diferentes tipos são utilizadas em vários sistemas e máquinas, como nas usinas térmicas a gás, nos motores a jato, nos motores turbo de automóveis, entre outros.


O tipo de turbina que abordaremos aqui é a turbina a gás, que utiliza carvão, gás, óleo ou reator nuclear para operar. Nesse tipo de turbina, composta por um conjunto de três partes significativas, um gás pressurizado é movimentado de forma a conseguir movimentar as pás da turbina, que está ligada a um eixo que transmite a energia mecânica.


Esse gás pressurizado pode ser obtido não só pela queima de gás (como propano, gás natural, etc.), mas também pela queima de substâncias como querosene de aviação. Nesse caso, o calor gerado pela queima do combustível expande o ar, e o deslocamento em alta velocidade do ar quente gerado movimenta a turbina.


Uma turbina a gás funciona basicamente utilizando um compressor, que comprime o ar de admissão por alta pressão. Na câmara de combustão, o combustível usado é queimado, gerando gases de alta pressão e velocidade. Em seguida, a turbina propriamente dita aproveita a energia do gás em movimento para girar (recebendo impacto pelas pás) e transmitindo o movimento de torque para outros dispositivos acoplados, se for o caso.


Como em toda máquina térmica, as turbinas também apresentam perdas em sua operação, mas ainda são excelentes soluções para a produção de energia elétrica em usinas e para compor motores mecânicos de alto desempenho, por exemplo.