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Ciências

17 Capítulo

TERMODINÂMICA E MÁQUINAS TÉRMICAS

„ Termodinâmica e seus conceitos „ O desenvolvimento de máquinas térmicas „ Motor a vapor e motor de combustão interna „ O corpo humano e o uso de termogênicos © Davi Corrêa | Dreamstime.com

A primeira locomotiva do Brasil começou a circular em 30 de abril de 1854, mesmo dia da inauguração da Estrada de Ferro de Petrópolis, fundada pelo visconde e barão de Mauá. A locomotiva foi batizada por D. Pedro II de “Baronesa”, em homenagem à esposa do Barão de Mauá, Dona Maria Joaquina. Atualmente, ela está exposta no Museu do Trem, no Engenho de Dentro, na Zona Norte do Rio de Janeiro. Seu valor histórico é grande, pois só existem dois exemplares dessa locomotiva no mundo, uma no Brasil e outra na Inglaterra, onde foi construída. Você imagina como ela funcionava? As locomotivas são ótimos exemplos de máquinas a vapor, ou seja, que se movem a partir da energia liberada pela queima de carvão. Uma das principais máquinas térmicas inventadas pelo homem! Seu funcionamento se baseia nas Leis da Termodinâmica. Graças aos conhecimentos adquiridos com o manuseio dessa tecnologia, foram produzidos novos produtos que facilitaram o desenvolvimento de nossa sociedade. Neste capítulo, vamos aprender mais sobre a ciência por trás das máquinas térmicas.

Objetivos de aprendizagem / Habilidades da BNCC: – Compreender o que são máquinas térmicas, relacionando o processo de conversão de energia química em energia mecânica ao seu funcionamento. – Compreender o funcionamento dessas máquinas a partir dos motores a vapor, de combustão interna e das turbinas a vapor. – Correlacionar o desenvolvimento de máquinas térmicas ao avanço da sociedade. – Compreender a necessidade de se controlar o aumento de temperatura das máquinas para a manutenção de seu trabalho. – Associar o corpo humano ao funcionamento de uma máquina térmica, considerando o uso de termogênicos como substâncias que aceleram o trabalho realizado. – (EF07CI04)

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CIÊNCIAS Volume 5 - Capítulo 17

7o ano

1. Termodinâmica e seus conceitos Vamos falar um pouco mais sobre a Termodinâmica, uma das áreas da Física responsável por estudar e tentar compreender as relações entre calor, trabalho e outros tipos de energia. Mas, para isso, precisamos relembrar alguns conceitos muito importantes. Vamos lá? No quadro a seguir você verá palavras-chave na forma de hashtags (#). Isso te lembra algo? A ideia é que você, antes de avançar para os próximos parágrafos, tente puxar na sua memória o que foi visto há alguns capítulos. Hashtags da Termodinâmica #energia #trabalho #energiatérmica #temperatura #calor #energiamecânica Você se lembra das definições de cada um desses conceitos?

Denominamos energia a capacidade de realizar trabalho, ou seja, de gerar um movimento ou uma ação. Por sua vez, o conceito de trabalho envolve a relação entre a força aplicada e o deslocamento de um corpo. Por exemplo, ao chutar uma bola, precisamos aplicar uma força com determinada energia para realizar seu deslocamento; o mesmo acontece quando empurramos alguém do balanço. Outro exemplo da aplicação de trabalho é o que acontece em nosso corpo, pois ele está o tempo todo, até mesmo a nível celular, executando alguma ação ou movimento e, por isso, precisa ter energia. Mas o conceito de energia é muito amplo, já que existem diferentes formas de energia na natureza. Uma das mais importantes energias para a vida na Terra vem do Sol! A vida aqui, como a conhecemos, só foi possível por conta de alguns fatores e, entre eles, está a distância do nosso planeta em relação ao Sol. Já pensou como seria frio sem ele? Ou como seria extremamente quente durante o dia se o nosso planeta estivesse mais próximo dele do que está? Mas os seus benefícios não param por aí. Graças à energia solar, a Terra se aquece, é iluminada e, além disso, permite com que os organismos autotróficos realizem a fotossíntese. Assim, as plantas e as algas conseguem produzir a matéria orgânica que dá base à toda a cadeia alimentar e o oxigênio que respiramos. A energia térmica presente no nosso planeta varia de acordo com a intensidade de raios solares que são retidos na nossa atmosfera. E ela está relacionada ao grau de agitação das moléculas que compõem a matéria: quanto maior essa agitação, maior a temperatura do corpo. Essa forma de energia transita, espontaneamente, sempre de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura, até que ambos atinjam o equilíbrio térmico. Chamamos a energia térmica em movimento de calor. Por fim, temos o conceito de energia mecânica. Este tipo de energia está relacionado ao movimento dos corpos. Então, a queda de uma bola, o deslocamento de um carro, as hélices de um ventilador girando são exemplos de situações em que a energia mecânica está presente.

© VectorMine | Dreamstime.com

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Dependendo da temperatura em que se encontra a matéria, ela pode mudar seu estado físico. Na imagem, vemos o processo de evaporação ocorrendo à medida que a temperatura aumenta.

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Termodinâmica e máquinas térmicas

2. O que são máquinas térmicas? Você sabe o que é um motor? O motor é um dispositivo responsável por converter outras formas de energia em energia mecânica, ou seja, associada ao movimento de um corpo. Os carros, trens, navios e os demais meios de transportes, por exemplo, convertem a energia presente em combustíveis em energia mecânica através de seus motores. Ao longo da história, várias técnicas foram desenvolvidas para tornar esse processo de conversão ainda mais eficiente. As locomotivas, os navios e outros meios de locomoção de antigamente funcionavam a partir da energia liberada pela queima de carvão, que aquecia uma caldeira com água e gerava vapor d’água. Por isso, seus motores eram classificados como motores a vapor. Já os carros atuais funcionam com motores de combustão interna. Apesar da diferença entre eles, tanto os veículos mais antigos quanto os atuais obedecem basicamente ao mesmo princípio, convertendo energia térmica em energia mecânica. Todos os dispositivos que funcionam realizando esse tipo de conversão são chamados de máquinas térmicas. Portanto, os motores a vapor e de combustão interna são considerados máquinas térmicas. E elas não estão presentes apenas na forma de motores nos meios de locomoção. Como veremos adiante, existem usinas de energia elétrica que funcionam a base de máquinas térmicas também, além disso de alguns equipamentos industriais.

2.1. As máquinas térmicas e o desenvolvimento da sociedade O domínio da tecnologia relacionado ao funcionamento das máquinas térmicas foi importantíssimo para o desenvolvimento da nossa sociedade, tanto que se tornou um marco histórico na Primeira Revolução Industrial mediante aos vários benefícios de seu uso. A Primeira Revolução Industrial ocorreu na segunda metade do século XVIII, na Inglaterra, e teve como principal marco o desenvolvimento industrial, impactando severamente nos processos produtivos que até então eram restritos à manufatura. O desenvolvimento das máquinas a vapor facilitou o trânsito de mercadorias, que passou a ocorrer de forma mais rápida e em maior quantidade, movimentando todo o mercado. Portanto, o desenvolvimento das máquinas térmicas propiciou o transporte de mercadorias, matéria prima e pessoas de forma mais eficiente. Desse ponto em diante, tal tecnologia foi aprimorada e outros combustíveis foram testados, facilitando ainda mais essas atividades.

Todo composto químico é formado por átomos que se ligam uns aos outros estabelecendo o que chamamos de ligações químicas. Essas ligações são baseadas na interação entre as partículas que formam cada átomo e que, portanto, variam de intensidade de acordo com a sua composição. Essas ligações armazenam certa quantidade de energia que pode ser liberada quando alguma reação acontece. Reações químicas ocorrem toda vez que uma ou mais substâncias se transformam e dão origem a novas substâncias.

© Inkoly | Dreamstime.com

2.2. Conversão de energia química em energia mecânica

CIÊNCIAS Volume 5 - Capítulo 17

7o ano

O processo de combustão, por exemplo, é um tipo de reação química. Nesse processo substâncias se transformam, rompendo ligações químicas, liberando energia e estabelecendo novas ligações que formarão novas substâncias. Reação de combustão CxHx + O2 → CO2 + H2O + ∆H CO2 H2O © OpenClipart-Vectors | Pixabay

356

O2

CxHx A reação de combustão é uma reação do tipo exotérmica, ou seja, libera energia na forma de calor durante o processo.

Parte dessa energia liberada é convertida nas máquinas térmicas em energia mecânica e parte é dissipada na forma de calor. Por isso, toda máquina que funciona por esse princípio precisa ter um sistema de resfriamento, para não promover a sua sobrecarga. Os carros apresentam o radiador, por exemplo: sua função é resfriar o motor durante a queima do combustível, evitando que o calor provoque danos no sistema.

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Imagem de um radiador isolado. Esse dispositivo tem como função realizar a troca de calor entre o motor e o ar de fora do carro, mantendo a temperatura adequada para o funcionamento do sistema.

INVESTIGANDO Poluição térmica Muitas usinas geradoras de energia utilizam a água de ecossistemas aquáticos para refrigerar suas centrais elétricas ou seus reatores nucleares. A água, assim que passa por todo o sistema, é devolvida ao local de origem (mares e rios, por exemplo) com temperatura superior àquela inicial. Alguns efeitos danosos decorrem desse processo. Os animais estenotérmicos, que não suportam grandes variações de temperatura, podem ser prejudicados e até extintos por conta do aquecimento da água. A concentração de oxigênio dissolvido na água diminui, causando a morte dos seres aeróbios. Esse desequilíbrio ambiental também pode, com o tempo, levar à formação de zonas mortas. Uma medida útil para evitar essa poluição é a criação de poços artificiais nos quais a água quente é posta para esfriar antes de ser lançada nos sistemas aquáticos.

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Termodinâmica e máquinas térmicas

2.3. Motor a vapor x motor de combustão interna 2.3.1. Motor a vapor Esse motor realiza a queima de combustíveis (combustão) como o carvão, muito usado na Primeira Revolução Industrial, externamente ao cilindro que acomoda o pistão responsável pelo movimento das demais estruturas do sistema. A energia térmica liberada nesse processo é transferida para uma caldeira com água que, ao ser aquecida, provoca a mudança de estado físico da água, transformando-a em vapor. Esse mesmo vapor irá preencher o cilindro, provocando o deslocamento do pistão e, assim, o movimento do eixo, da roda e das demais estruturas integradas.

Disponível em: https://bit.ly/3xI0FLk

Ao final, o pistão é deslocado em sentido oposto, empurrando o vapor presente no cilindro para outro compartimento que, posteriormente, será esvaziado.

Funcionamento de um motor a vapor.

2.3.2. Motor de combustão interna

© Dzianis Rakhuba | Dreamstime.com

Nesse tipo de motor, a queima do combustível ocorre no mesmo local onde encontramos o pistão responsável por mover todas as partes constituintes do carro. O principal combustível utilizado é a gasolina e ela servirá como fonte de energia química para ser convertida, no motor, em energia mecânica.

Os motores de combustão interna em carros de passeio geralmente são formados por 4 ou 6 pistões.

Vamos entender como ocorre o passo a passo desse processo?

CIÊNCIAS

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Volume 5 - Capítulo 17

7o ano O funcionamento desse motor ocorre em quatro estágios ou quatro tempos:

Admissão: Momento em que o pistão se locomove para o ponto mais baixo do cilindro e a mistura de ar e combustível preenche o espaço gerado.



Compressão: Momento em que o pistão sobe e comprime a mistura.



Combustão: Uma descarga elétrica é liberada a partir da vela de ignição, gerando uma faísca que queima a mistura e empurra o pistão para baixo. A energia que gera a faísca vem da bateria do veículo.



Escape: Após a queima, o pistão sobe novamente, expulsando para fora do motor os eventuais resíduos que permaneceram no cilindro e retomando o ciclo. © Stanislav Zabolotnii | Dreamstime.com



Cilindro de motor de combustão interna em funcionamento.

© Stanislav Zabolotnii | Dreamstime.com

2.4. Turbinas a vapor Como comentamos, os motores são apenas alguns dos representantes das máquinas térmicas. Mas, além deles, também existem outros representantes como as turbinas a vapor empregadas nas usinas termelétricas. Nelas são utilizados combustíveis que, ao serem queimados, geram calor e aquecem uma caldeira com água, gerando vapor d’água que passará pela turbina, movimentando-a. A energia mecânica desse movimento é convertida em energia elétrica no gerador elétrico. Representação de uma turbina a vapor.

3. O corpo humano e os termogênicos Você sabia que o corpo humano também é considerado uma máquina térmica? Ao refletir um pouco sobre o assunto, você perceberá que o tempo todo está convertendo energia química em energia mecânica através de cada ação realizada pelo seu corpo, uma vez que a energia utilizada para o funcionamento de nosso organismo provém dos alimentos que ingerimos. Como todo alimento é formado

359

Termodinâmica e máquinas térmicas

por várias substâncias químicas, estamos falando da energia química presente entre as ligações de seus átomos, energia esta que é utilizada para executarmos ações tanto enquanto organismo como a nível celular.

© VectorMine | Dreamstime.com

Na respiração celular, temos um exemplo claro de um processo de combustão: a glicose apresenta suas ligações rompidas, liberando parte da energia na forma de calor e outra parte que será utilizada para formar as moléculas de ATP, tão necessárias para o metabolismo corpóreo. A energia liberada pelo processo de respiração celular é responsável por manter o corpo aquecido e por permitir a realização das atividades diárias necessárias para o bem-estar de todo indivíduo.

Ao conjunto de reações que ocorrem no interior do nosso corpo, sejam elas reações de síntese ou de quebra de Produtos gerados durante os processos metabólicos. substâncias, denominamos metabolismo. É a regulação desse metabolismo, ou seja, a intensidade com que essas reações ocorrem somadas às calorias ingeridas diariamente que determinará se um indivíduo aumenta ou diminui a massa de seu corpo.

Vídeos

Os termogênicos são substâncias que aceleram o metabolismo, consequentemente, aumentam a quebra de gorduras, produzem calor e auxiliam no processo de emagrecimento. Mas seu uso precisa ser feito com o acompanhamento de um profissional, pois são substâncias que provocam alterações no funcionamento do corpo. Eles aumentam, por exemplo, a pressão sanguínea e os batimentos cardíacos e, por isso, não são indicados para hipertensos.

EXERCÍCIOS Defina máquinas térmicas.

02. Cite

© Antonio De Azevedo Negrão | Dreamstime.com

01.

uma vantagem do uso das máquinas

térmicas.

03.

© Cristian Duminecioiu | Dreamstime.com

As figuras a seguir representam uma das transformações que ocorreram nos meios de transporte ao longo do tempo.

Locomotiva

Caminhão

Em relação a essa transformação é correto afirmar: a. O motor a vapor foi substituído pelo motor de combustão interna. b. O combustível fóssil foi substituído por um combustível renovável.

CIÊNCIAS

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Volume 5 - Capítulo 17

7o ano c. O sistema empregado na locomotiva deixou de ser utilizado.

De acordo com as leis da Termodinâmica, assinale as alternativas corretas:

d. A poluição do ar diminuiu com a utilização do caminhão como meio de transporte.

a. I e II

c. II e III

b. I e III

d. I, II e III

04. Um motor só poderá realizar trabalho se receber 06.

Um menino estava muito animado, pois iria realizar o seu primeiro passeio de motocicleta com o seu tio. Em uma bela manhã de domingo, ele embarcou em um passeio ao redor da orla da praia e, ao descer do veículo, encostou na parte indicada na figura a seguir e acabou se queimando. Responda: © Pricopsorin | Dreamstime.com

uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma. CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009. Adaptado.

De acordo com o texto, marque a alternativa que completa a frase a seguir: As transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes da... a. liberação de calor dentro do motor ser impossível. b. r e a l i z a ç ã o d e t r a b a l h o p e l o m o t o r ser incontrolável. c. conversão integral de calor em trabalho ser impossível.

Escapamento da moto.

a. Considerando que a motocicleta é um exemplo de máquina térmica, como o calor foi gerado nesse veículo?

d. transformação de energia térmica em cinética ser impossível.

b. Mesmo com a motocicleta desligada, o escapamento ainda permanece quente por alguns minutos. Por que o escapamento esquenta?

e. utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

07.

05.

I.

Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho.

II.

O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo como é o caso do refrigerador.

Durante uma aula de Ciências, um professor citou essas três situações: III. No funcionamento de um automóvel, parte da energia térmica da queima do combustível é transformada em trabalho. IV. Em uma máquina a vapor, a água recebe calor da fonte de aquecimento e passa para o estado gasoso. V.

O resfriamento de uma bebida ocorre pela transferência de calor do gelo para a bebida.

Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, analise as proposições a seguir.

III. É possível construir uma máquina térmica que tenha, como único efeito, transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente.

361

Termodinâmica e máquinas térmicas

11.

Analise as proposições a seguir relativas à termodinâmica, verificando se há ou não inadequações em seus enunciados. Coloque V para as verdadeiras e F para as falsas.

São corretas apenas: a. II b. I e II c. I, II e III d. Nenhuma das alternativas

I.

Calor é sinônimo de temperatura.

II.

Calor é energia térmica em trânsito entre dois ou mais corpos.

08.

Explique, com suas palavras, como o calor é capaz de produzir movimento em uma turbina a vapor.

09.

Identifique a principal diferença entre um motor a vapor e um motor de combustão interna.

10.

Atualmente, o mundo vive sob uma importante questão energética. Por um lado, estamos cada vez mais dependentes de energia e, por outro, para suprir essa dependência, necessitamos de uma infraestrutura gigantesca que, por sua vez, se baseia em tipos de combustíveis que não são renováveis. Os combustíveis fósseis fornecem uma abordagem barata e simples, mas o aumento dos seus usos tem sérias desvantagens que envolvem mudanças climáticas e contaminações atmosféricas. Os combustíveis alternativos de fontes renováveis e as novas formas de conversão de energia existem, porém, mais pesquisas e recursos devem ser gastos para fazê-los confiáveis e viáveis economicamente. A tabela a seguir mostra os valores de energia liberada, em kJ/g, por quatro tipos de combustíveis fósseis: Substância

Energia liberada (kJ/g)

Carvão

29-37

Petróleo cru

43

Gasolina (petróleo refinado)

47

Gás natural (metano)

50

III. Sempre que um corpo quente aquece um corpo frio, suas temperaturas variam igualmente. IV. Calor específico é uma grandeza que indica o nível de energia das moléculas de um corpo. A sequência correta das letras V e F, de cima para baixo é: a. F, V, F, F b. F, V, V, F c. V, V, F, F d. F, F, F, F e. V, V, V, F

12.

Na foto, vemos ursos-pardos em Brooks Falls, no Alasca, capturando salmões que estão subindo o rio para o período da desova e do acasalamento (piracema). Nesse ambiente natural, ocorrem diversas transformações de energia: em cada fenômeno, uma energia diminui – a energia original – e outra(s) aumenta(m) – a(s) energia(s) derivada(s).

1

KOTZ, TREICHEL e TOWNSEND. Chemistry and Chemical Reactivity. Belmont: Thomson, 2009.

A energia disponível no tanque do carro, contida na gasolina, é energia química. Cite três formas de energia nas quais essa energia química se converte quando o carro está em movimento, com o motor funcionando.

4 3

2 G1, jul. 2007.

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Identifique qual é a energia original e qual é a energia derivada para cada processo (fenômeno) localizado na foto e descrito a seguir. a. Fotossíntese nas plantas b. Descida da água na cachoeira c. Aquecimento do animal por culpa do esforço muscular para capturar os peixes d. Peixe que está subindo a cachoeira em velocidade constante contra a correnteza da água

EXPLORANDO UM POUCO MAIS PARA ASSISTIR •

Motor a vapor (Manual do Mundo) Que tal acompanhar o passo a passo da construção de um modelo de máquina a vapor? É uma boa forma de compreender melhor como esse motor funciona. Ao final do vídeo, você ainda vai entender por que os óleos lubrificantes de qualidade são tão importantes para os motores. •

A evolução temporal dos combustíveis e das máquinas térmicas (Fernando Lima) Além de uma abordagem retrospectiva dos avanços tecnológicos, você encontrará neste vídeo algumas curiosidades e fatos históricos sobre a evolução das máquinas térmicas.

AGORA É COM VOCÊ 01.

O esquema a seguir representa, de forma simplificada, uma usina de geração de energia elétrica a partir da utilização de óleo combustível.

02. Explique qual é a importância das máquinas térmicas para o desenvolvimento dos meios de transporte.

03.

Identifique que tipo de transformação de energia acontece em uma máquina térmica.

04. Liste as quatro fases do funcionamento de um motor de combustão interna.

05. A produção de energia elétrica, nesse caso, constitui exemplo de uma usina: a. nuclear b. hidrelétrica c. termelétrica d. química

Um passeio de balão é uma das atrações para quem visita a Capadócia, na Turquia. Os balões utilizados para esse tipo de passeio possuem um grande bocal por onde uma forte chama aquece o ar do seu interior.

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Termodinâmica e máquinas térmicas

Abaixo do bocal, está presa a gôndola onde os turistas se instalam para fazer um passeio inesquecível. Esses balões ganham altitude porque: a. o ar aquecido é menos denso que o ar atmosférico. b. a queima do combustível gera oxigênio, que é mais leve que o ar. c. a pressão interna torna-se maior que a pressão externa, ao serem inflados. d. o gás liberado na queima aumenta a inércia sobre a superfície do balão. e. o calor da chama é dirigido para baixo e, como reação, o balão é empurrado para cima.

06.

A cadeia trófica a seguir mostra a transferência de X, armazenada em compostos orgânicos como proteínas, lipídios e carboidratos produzidos através da Y que utiliza W e compostos inorgânicos como dióxido de carbono e água. O processo de Z é responsável pela devolução dos compostos inorgânicos ao meio quando os organismos dessa cadeia morrem.

c. energia química, respiração, energia térmica e oxidação. d. energia química, fotossíntese, energia luminosa e decomposição.

07.

Explique como ocorre o funcionamento de um motor a vapor.

08.

Energia química é proveniente das ligações químicas entre átomos que são feitas para formar algo. Sendo assim, como tudo no mundo é formado por átomos, tudo tem energia química. Essa energia é manifestada quando acontecem ligações químicas e, também, quando há rupturas dessas ligações. Apesar de estar em todos os lugares, a energia química não se manifesta o tempo todo e depende de quais moléculas estarão envolvidas no processo. Quando consumimos um alimento, por exemplo, parte da sua energia é transformada pelo nosso organismo e a outra é liberada em forma de calor. De acordo com o texto, assinale a alternativa correta. a. A energia química é liberada constantemente, pois está em todos os lugares. b. A energia química se manifesta somente na ruptura das ligações químicas. c. Parte da energia armazenada no alimento é transformada pelo organismo.

Marque a alternativa em que as letras X, Y, W, e Z podem ser substituídas de forma correta: a. energia mecânica, fermentação, energia luminosa e putrefação. b. energia elétrica, respiração, energia térmica e decomposição.

ANOTAÇÕES

d. Parte da energia armazenada no alimento é absorvida na forma de calor. e. Apenas em alguns compostos químicos existe energia química.

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AGORA EU SEI... O que são máquinas térmicas e qual foi o seu papel para o desenvolvimento da sociedade. Associar a energia química a combustíveis e alimentos. Explicar de forma sucinta como as máquinas a vapor funcionam. Por que o corpo humano também pode ser considerado uma máquina térmica.

PRINCIPAIS IDEIAS Dispositivos que convertem a Energia Térmica em Energia Mecânica, transformando calor em trabalho. • Máquinas térmicas – Motor a vapor – Motor de combustão interna – Turbina a vapor

ANOTAÇÕES

Termodinâmica e máquinas térmicas

ANOTAÇÕES

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DE APRENDIZAGEM

Confira as 7. páginas 6 e

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