A Maquinas a Vapor

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As máquinas desenvolvidas até essa época não possuíam grande eficiência devido ao alto consumo de combustível para aquecer um moderado volume de água, o único uso destinado a esses equipamentos era em minas de carvão, onde haveria grande reserva do combustível mineral a ser queimado.

Foi em 1769 que James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, aperfeiçoou e desenvolveu uma máquina a vapor a partir de estudos do equipamento anteriormente desenvolvido por Newcomen. Watt desenvolveu uma máquina que minimizava as perdas de calor, fazendo com que o consumo e os custos com combustível fosse três vezes menor, seu equipamento também teve como utilização não só em minas de carvão, mas também a substituição de rodas d’água e moinhos movidos a cavalo, a substituição desses equipamentos se deu a seu movimento de rotação que a máquina possuía, diferente da maquina de Newcomen que possuía o movimento de sobe e desce, pode se desenvolver equipamentos de maior flexibilidade, pois puderam ser adaptadas a diversas aplicações.

A máquina desenvolvida por James Watt foi considerada como um dos fatores responsáveis pelas transformações econômicas ocorridas na época, devido a sua versatilidade de aplicações em diversos segmentos do setor industrial. Essa máquina sendo considerada uma das invenções que gerou grande impacto no século 18, um impacto tão grande que ela é considerada a responsável pelo movimento conhecido como Revolução Industrial.

- A MÁQUINA A VAPOR DE JAMES WATT

Watt começou a examinar uma máquina de Newcomen (figura 1) que era totalmente nova para ele. Ele descobriu que seu princípio não era muito econômico, porque o cilindro se aquece muito ao se encher de vapor, durante a condensação o cilindro se esfria consideravelmente a cada ciclo de trabalho, o cilindro precisava ser aquecido novamente desperdiçando uma grande quantidade de vapor fornecido. Watt questionava a necessidade de resfriar novamente o cilindro, certamente seria muito mais eficiente deixa-lo aquecido, mas nesse caso, como poderia de alguma forma condensar o vapor.

Figura 1: máquina a vapor de Newcomen.

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Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br

Então, Watt teve a brilhante ideia de usar dois cilindros separados no inicio do seu processo, o pistão que está na parte inferior do cilindro, ao introduzir vapor, este é submetido a pressão. Como a máquina de Newcomen, a pressão do vapor e o peso no braço da bomba forçam o pistão a subir. Agora o fluxo do vapor é cortado e um tubo ligando o cilindro condensador é aberto, também neste caso o resfriamento do vapor cria uma pressão negativa que juntamente com a pressão atmosférica força o pistão para baixo. O tubo que liga o cilindro ao condensador é fechado e o do vapor é aberto, o processo pode ser repetido sem que o cilindro do vapor tenha sido resfriado.

Em 1769 Watt patenteou seus aperfeiçoamentos, após alguns anos Watt aperfeiçoou a maquina a vapor, seu objetivo era melhorar a eficiência da máquina a ser utilizada em outras tarefas além de operar bombas. Ele conseguiu isso com sua máquina a vapor de dupla ação (figura 2).

Figura 2: Máquina a Vapor de dupla ação

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Fonte: http://www.mundofisico.joinville.udesc.br

Primeiro, o vapor flui para o pistão e força o pistão para baixo. A ideia de Watt é de que, quando o pistão esta na parte inferior do seu curso a pressão também poderia ser usada para força-lo de volta para cima, por tanto, o fluxo de vapor é interrompido acima e liberado abaixo do pistão, o vapor flui para baixo do cilindro e força o pistão para cima. E para evitar que o vapor no topo impeça o movimento para cima, o fluxo de vapor lá é cortado e a conexão com o condensador é aberta, quando o pistão esta na parte superior do seu curso o processo se reinicia, a fonte de vapor é aberta acima do cilindro e fechada abaixo, ao mesmo tempo a conexão para o condensador do vapor já utilizado é aberta, com esta técnica, Watt pode utilizar os movimentos para cima e para baixo do pistão, alcançando uma enorme melhoria e eficiência.

A máquina a vapor de dupla ação também pode converter o movimento para cima e para baixo do pistão em movimento rotativo. Assim, em vez de apenas bombear água para fora das minas a maquina a vapor também poderia movimentar outras maquinas, substituindo moinhos de vento e rodas d´agua, para isso Watt inventou um mecanismo especial de transferência, uma engrenagem planetária (figura 3).

Figura 3: Engrenagem planetária

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Fonte: https://www.buzzero.com

Posteriormente em 1788, Watt desenvolveu o problema do fluxo do vapor quando era preciso acionar vários equipamentos ao mesmo tempo, ele desenvolveu um regulador centrifugo (figura 4) para o controle automático de velocidade, se a velocidade da máquina a vapor aumentava, a força centrifuga fazia as massas em rotação se movimentar para fora, esse movimento era transferido para uma válvula frontal, reduzindo o fluxo de vapor da caldeira para o cilindro, assim a máquina trabalha novamente na sua velocidade original, ao contrario, se a máquina a vapor estiver mais lenta que o normal, a válvula se abre aumentando a velocidade. É um sistema de controle automático.

Figura 4: Regulador Centrífugo

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Fonte: http://www.galileog.com

Para descrever melhor as vantagens de sua máquina a vapor rotativa, watt criou uma medida para sua potencia de saída: o cavalo-de-força (hp). A força dos cavalos utilizados anteriormente para a mesma tarefa, mas watt fez uma comparação mais precisa, em 1782, calculou o tamanho de uma máquina a vapor para um engenho, ele obteve os dados de desempenho dos cavalos utilizados anteriormente. Com base neles, Watt determinou que 1 hp, era o trabalho necessário para levantar 75kg por um metro a cada segundo.

A partir desses experimentos de James Watt, as máquinas a vapor começaram a ser utilizadas em grandes produções, para posteriormente ser considerado como o grande responsável pela revolução industrial.

- TERMODINÂMICA

A máquina a vapor funciona a partir do consumo de