03 · Ciclos térmicos
Da teoria à máquina
Todo motor — de um carro a um foguete — é um ciclo que aproveita uma diferença de temperatura: pega calor de algo quente, transforma parte dele em movimento e joga o resto num lugar frio. Um “ciclo” é essa sequência de etapas que se repete milhares de vezes por minuto e sempre volta ao ponto de partida. Abaixo, os quatro mais importantes, explicados do zero.
Máquina térmica em movimento
O ciclo de Carnot rodando: veja o calor entrar, o pistão trabalhar e o resto ser descartado no frio.
cilindro
1/4 · Expansão isotérmica
O gás toca a fonte quente, absorve calor e empurra o pistão sem mudar de temperatura.
Rendimento
60.0%
Volume
4.0 L
Temperatura
800 K
Laboratório de Carnot
Nenhuma máquina térmica do universo supera o rendimento de Carnot. Mova as fontes e veja quanto de 1000 J de calor pode virar trabalho útil — o resto é sempre descartado no frio.
trabalho útil
calor rejeitado
Trabalho de 1000 J
667 J
Perdido no frio
333 J
Carnot
referência teóricaDuas isotérmicas e duas adiabáticas, todas reversíveis. Define o rendimento máximo possível entre duas temperaturas.
em palavras simples
É o motor perfeito que só existe no papel: nada de atrito, nada de calor perdido. Serve como régua — se um motor real chega perto do rendimento de Carnot, é excelente.
o que acontece por dentro
Isotérmica significa 'temperatura constante': o gás troca calor devagar com a fonte enquanto se expande. Adiabática significa 'sem troca de calor': o gás se expande sozinho e esfria por conta própria. Alternando essas duas situações, nada de energia é desperdiçado.
- 1expansão isotérmica
- 2expansão adiabática
- 3compressão isotérmica
- 4compressão adiabática
onde aparece · Aparece em provas e projetos como limite máximo, não em máquinas reais.
rendimento · η = 1 − T_f/T_q · o teto de todos
Otto
motores a gasolinaCombustão a volume constante após a compressão da mistura. É o ciclo do motor de ignição por faísca.
em palavras simples
É o motor do carro comum. O pistão suga ar com gasolina, comprime, a vela dá a faísca, a explosão empurra o pistão e o gás queimado sai.
o que acontece por dentro
A queima acontece quase instantaneamente com o pistão no topo, então o volume praticamente não muda enquanto a pressão dispara. A compressão é limitada: se apertar demais, a mistura explode antes da faísca (é a 'batida de pino').
- 1admissão
- 2compressão
- 3explosão
- 4escape
onde aparece · Carros e motos a gasolina, cortadores de grama, geradores pequenos.
rendimento · ≈25 a 35% na prática
Diesel
caminhões e naviosAdição de calor a pressão constante, com taxa de compressão maior — mais torque e mais rendimento.
em palavras simples
Não tem vela de ignição: o ar é comprimido tanto que fica quentíssimo, e o combustível injetado pega fogo sozinho ao encostar nesse ar.
o que acontece por dentro
Como o combustível entra aos poucos durante a queima, a pressão se mantém quase constante enquanto o pistão já desce. A compressão altíssima é o que dá mais rendimento e mais força em baixa rotação — daí o torque de caminhão.
- 1admissão
- 2compressão alta
- 3injeção e queima
- 4escape
onde aparece · Caminhões, ônibus, tratores, navios, geradores grandes.
rendimento · ≈35 a 45%, o melhor entre motores de pistão
Brayton
turbinas e foguetesCompressão contínua, queima e expansão em turbina. É o ciclo dos motores a jato.
em palavras simples
Aqui nada sobe e desce: o ar entra sem parar, é comprimido por pás giratórias, queimado e expelido girando uma turbina. Fluxo contínuo em vez de pistão.
o que acontece por dentro
A turbina que o gás quente empurra na saída é a mesma que move o compressor na entrada — o motor se alimenta. Por girar sempre no mesmo sentido e sem paradas, entrega muita potência com pouco peso, mas gasta muito em baixa velocidade.
- 1compressão
- 2combustão
- 3expansão na turbina
- 4exaustão
onde aparece · Aviões a jato, helicópteros, usinas termelétricas a gás.
rendimento · ≈30 a 40% isolado; até 60% junto com vapor