Contextualização

Olá, futuros engenheiros físicos! Nessa incrível jornada pelo mundo da física, iremos nos aprofundar no tema das "Máquinas Térmicas". As máquinas térmicas são dispositivos que podem transformar energia térmica (ou calor) em trabalho mecânico. Esses dispositivos são fundamentais que movem o mundo atual. Seja uma locomotiva a vapor clássica ou o mais recente motor de um carro, muitos dos dispositivos que usamos na vida cotidiana são baseados em máquinas térmicas.

A termodinâmica é o ramo da física que estuda as máquinas térmicas. Ela lida com os princípios fundamentais que regem a maneira como a energia é convertida entre diferentes formas, incluindo calor e trabalho. A termodinâmica nos dá uma maneira de calcular a eficiência de uma máquina térmica e nos ajuda a entender por que algumas máquinas são mais eficientes que outras.

Entender como as máquinas térmicas funcionam e como elas são usadas não é apenas fascinante, mas também é extremamente relevante no mundo de hoje. Muitas das questões mais urgentes que enfrentamos - como as mudanças climáticas, a eficiência energética e a sustentabilidade - estão diretamente relacionadas ao uso de máquinas térmicas. Por exemplo, as usinas de energia utilizam máquinas térmicas para converter combustíveis fósseis ou energia nuclear em eletricidade.

É importante notar também que a termodinâmica e as máquinas térmicas não estão isoladas no domínio da Física. Elas têm conexões com a química, engenharia, matemática e até com a biologia e a economia. Portanto, este projeto será uma maneira maravilhosa de ver como a física está interligada com outras disciplinas e tem aplicações práticas no mundo real.

Aqui estão alguns recursos que você pode explorar para começar a entender o mundo das máquinas térmicas e da termodinâmica:

1. "Máquinas térmicas e refrigeração" - Brasil Escola
2. "Entenda o que é máquina térmica" - Mundo Educação
3. "Máquinas Térmicas" - Só Física
4. "Termodinâmica" - Khan Academy

Atividade Prática

Título da Atividade: "Projetando e Construindo uma Máquina Térmica: O Motor Stirling"

Objetivo do Projeto:

Esse projeto tem como objetivo permitir que os alunos explorem o conceito de máquinas térmicas através da construção de um motor Stirling. Esse é um motor de combustão externa, que funciona com base na expansão e contração do ar ou outro gás. O desafio é construir um modelo funcional do motor Stirling, usando materiais recicláveis e de fácil acesso.

O projeto deve ser realizado por grupos de 3 a 5 alunos, com duração total estimada de 18 horas, considerando o estudo da teoria, a elaboração do projeto, a construção do motor, os testes e a criação do relatório final.

Descrição detalhada do Projeto:

O projeto será dividido em quatro etapas principais:

1. Estudo Teórico - Os alunos devem primeiro estudar em detalhes os tópicos:

   • Fundamentos da Termodinâmica
   • Ciclo de Carnot e eficiência termodinâmica
   • Máquinas térmicas e frigoríficas
   • O motor Stirling: Principios e Funcionamento

2. Projetando o Motor - Os alunos devem elaborar um projeto detalhado do motor Stirling, desenhando o esquema, listando os materiais necessários e planejando a construção e os testes. Nesse ponto, é crucial realizar cálculos e estimativas em relação ao volume dos cilindros, o deslocamento do pistão, as dimensões do motor, a fonte de calor, entre outros.

3. Construção e Teste - Os alunos devem construir o motor Stirling seguindo o projeto elaborado, e testar seu funcionamento. O motor deve ser capaz de se mover a partir de uma fonte de calor. Os alunos devem registrar cuidadosamente suas observações e medidas durante os testes, como a temperatura da fonte de calor, a velocidade do motor, a eficiência e quaisquer problemas encontrados.

4. Relatório Final - Os alunos devem preparar um relatório detalhado, explicando todo o processo, desde a fase de estudo teórico, passando pelo projeto e construção do motor, até os testes realizados.

Materiais Necessários:

• Latas de refrigerante
• Eixos e rodas (pode ser de brinquedos antigos)
• Balões
• Arame
• Fita adesiva
• Vela e isqueiro
• Tinta spray isolante térmico
• Termômetro infravermelho
• Ferramentas básicas como alicate, tesoura, furador, etc.

Passo a Passo Detalhado para a Realização da Atividade:

1. Estudo Teórico: Pesquise e estude os tópicos listados acima, usando fontes confiáveis como livros didáticos de física e sites educacionais respeitáveis.
2. Projetando o Motor: Elabore um esquema detalhado do motor Stirling, indicando todas as partes e suas dimensões. Realize os cálculos necessários para dimensionar corretamente o motor.
3. Construção: Siga o projeto para construir o motor Stirling. Use a lata de refrigerante para criar os cilindros e o balão para o pistão. A vela servirá como fonte de calor.
4. Teste: Acenda a vela e observe o movimento do motor. Utilize o termômetro infravermelho para medir a temperatura da fonte de calor. Realize vários testes para obter dados consistentes.
5. Relatório: Documente todo o processo de construção do motor, incluindo o estudo teórico, a elaboração do projeto, a construção e os testes. Analise e discuta os resultados obtidos.

Entregas do Projeto:

As equipes devem entregar:

1. O Projeto do Motor Stirling: Deve conter o esquema detalhado do motor, com todas as partes e suas dimensões corretamente indicadas. Deve também incluir todos os cálculos realizados para a dimensionamento do motor.
2. O Motor Stirling Construído: O motor deve ser entregue juntamente com o projeto. Ele deve ser funcional, movido a partir de uma fonte de calor.
3. O Relatório Final: Deve ser um documento escrito que explique todo o processo da realização do projeto. Siga a estrutura indicada na parte preliminar desse guia: introdução, desenvolvimento, conclusões e bibliografia. Devem ser documentados o estudo teórico, o projeto e construção do motor, os testes realizados, os resultados obtidos e as conclusões derivadas.

Lembre-se, o projeto não se trata apenas de construir um motor funcional, mas de entender os conceitos e fundamentos que permitem que ele funcione. Use este projeto como uma oportunidade para demonstrar o seu entendimento sobre termodinâmica e máquinas térmicas.