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O funcionamento das máquinas térmicas baseia-se na transformação de energia térmica em energia mecânica.
As primeiras máquinas térmicas usavam o vapor de água produzido em caldeiras como combustível para gerar movimento e realizar trabalho como, por exemplo, girar uma roda d’água ou as rodas de um trem.
Já as máquinas térmicas de combustão interna têm como base os gases gerados durante a queima do combustível. De forma geral, a queima do combustível gera energia que é transferida para o gás. Esse gás então se expande realizando trabalho, enquanto sua temperatura diminui.
Nesse processo tanto a energia interna, quanto o trabalho realizado dependem da quantidade de calor que é transferida para o gás.
Foi a busca do aumento da eficiência dessa transferência que alavancou o desenvolvimentodessas máquinas.
As máquinas térmicas que usavam carvão foram muito importantes na história, pois foram as precursoras de tantas outras.
Vamos agora ver a evolução delas.
Máquinas a vapor
A primeira máquina térmica que se tem registro é a máquina de Heron, que consiste em uma esfera oca de cobre com dois canudinhos de cobre torcidos.
A esfera de Heron continha água em seu interior que, quando aquecida, saia pelos canudinhos em forma de vapor fazendo a esfera girar.
A máquina de Heron foi encontrada nos registros do século I a.C. e parecia funcionar apenas como equipamento de entretenimento.O segundo registro encontrado é datado de 1629 - uma vasilha preenchida com água que possuía um cano aberto para saída do vapor gerado (algo parecido com uma chaleira).
Ao ser aquecida, o vapor gerado saída pelo cano e movia uma roda com pás.
Em 1690 o vapor foi utilizado pela primeira vez para movimentar um êmbolo dentro de um cilindro – a base de funcionamento das máquinas térmicas atuais.
Por volta de 1712 uma nova máquina térmica foi desenvolvida. Ela possuía uma viga (como uma gangorra, o brinquedo dos parques infantis) e era utilizada para retirar água das profundezas ou para subir cargas pesadas.
Ainda hoje esse tipo de estrutura é usada para retirar petróleo das profundezas. Elas são conhecidas como cavalos.
Os problemas dessas primeiras máquinas era a baixa eficiência; elas consumiam muito carvãobaixa eficiência; elas consumiam muito carvão para aquecer a água de modo a realizarem o trabalho desejado.
Em 1765, James Watt introduziu nas máquinas um condensador que minimizava as perdas de calor, aumentando o rendimento do carvão em três vezes – um enorme passo no aumento da eficiência.
Assim as máquinas passaram a ser usadas também para a movimentação de tornos e de moinhos, substituindo a tração animal.
James Watt costumava expressar a potência de suas máquinas em unidades HP ou horse power (literalmente força do cavalo) para facilitar a comparação com o tipo de tração usado até aquele momento e aumentar a compreensão de suas capacidades de realizarem trabalho.
Hoje a potência é expressa em watts em sua homenagem, apesar de o HP ser ainda usado em alguns casos como, por exemplo, nosem alguns casos como, por exemplo, nos automóveis.
Mas vamos voltar à história das máquinas térmicas.
Os primeiros automóveis também usavam motores movidos a vapor de água, no fim do século XIX e início do século XX.
Hoje os motores são movidos por combustão interna, usando outras formas de combustíveis em substituição ao carvão como, por exemplo, diesel, álcool e/ou gasolina.
Os motores a vapor ainda são usados em alguns casos específicos como nas usinas termoelétricas, que produzem energia elétrica a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis como, por exemplo, carvão mineral, óleo e gás natural.