O
que é uma Máquina a Vapor
É a denominação dada a qualquer motor que
funcione pela transformação da energia térmica em energia mecânica através
da expansão do vapor de água. A pressão adquirida pelo vapor é utilizada
para deslocar êmbolos que permitem o movimento das rodas de potentes
locomotivas. Pode ainda ser empregada, pela transformação em energia cinética,
ou energia de movimento, em imensas turbinas que impulsionam geradores elétricos
e gigantescos transatlânticos. Bombas, bate-estacas e muitas outras máquinas
potentes são comandadas por máquinas a vapor.
O desenvolvimento da máquina a vapor no séc.
XVIII contribuiu para a expansão da indústria moderna. Até então, os
trabalhos eram executados na dependência exclusiva da potência dos músculos
dos operários e da energia animal, do vento ou da água. Uma única máquina
a vapor realizava o trabalho de centenas de cavalos. Fornecia a energia
necessária para acionar todas as máquinas de uma fábrica. Uma locomotiva
a vapor podia deslocar cargas pesadas a grandes distâncias em um único
dia. Os navios a vapor ofereciam transporte rápido, econômico e seguro.
Como
Funciona uma Máquina a Vapor
Uma máquina a vapor não cria energia,
utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima
de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém,
a fim de realizar trabalho. Uma máquina a vapor possui uma fornalha, na
qual se queima carvão, óleo, madeira ou algum outro combustível para
produzir energia calorífica. Em uma usina atômica, um reator funciona como
uma fornalha e a desintegração dos átomos gera o calor. Uma máquina a
vapor dispõe de uma caldeira. O calor proveniente da queima de combustível
leva a água a transformar-se em vapor no interior da caldeira. O vapor
expande-se, e ocupa um espaço muitas vezes maior que o ocupado pela água.
Essa energia da expansão pode ser aproveitada de duas formas: (1)
deslocando um êmbolo num movimento de vaivém ou (2) acionando uma turbina.
Máquinas
a Vapor de Êmbolo: As máquinas a vapor deste tipo possuem êmbolos
que deslizam com um movimento de vaivém no interior de cilindros. Vários
sistemas de válvulas permitem a admissão do vapor no cilindro e a conseqüente
impulsão do êmbolo, primeiro em um sentido e depois em outro, antes de
deixar escapar o vapor já usado. Estas máquinas são geralmente
denominadas máquinas de movimento alternado, ou alternativo, por causa do
movimento de vaivém, ou alternado, dos seus êmbolos. Os martelos a vapor
utilizados para cravar estacas e os empregados para forjar metais requerem
este tipo de movimento. Uma locomotiva, entretanto, necessita de um
movimento giratório para acionar suas rodas. Esse movimento giratório é
obtido ligando-se um virabrequim ás extremidades dos êmbolos. Em alguns
tipos de máquinas a vapor de movimento alternado, denominadas máquinas
compound, ou de sistema, o vapor flui através de quatro cilindros de diâmetros
crescentes e opera quatro êmbolos.
História
Herão, matemático e físico que viveu em
Alexandria, Egito, descreveu a primeira máquina a vapor conhecida em 120
a.C. A máquina consistia em uma esfera metálica, pequena e oca montada
sobre um suporte de cano proveniente de uma caldeira de vapor. Dois canos em
forma de L eram fixados na esfera. Quando o vapor escapava por esses canos
em forma de L a esfera adquiria movimento de rotação. Este motor,
entretanto, não realizava nenhum trabalho útil. Centenas de anos depois,
no séc. XVII, as primeiras máquinas a vapor bem-sucedidas foram
desenvolvidas.
As Primeiras Máquinas a Vapor operavam
utilizando-se mais da propriedade de o vapor condensar-se de novo em líquido
do que de sua propriedade de expansão. Quando o vapor se condensa o liquido
ocupa menos espaço que o vapor. Se a condensação tem lugar em um
recipiente fechado, cria-se um vácuo parcial ou uma sucção que pode
realizar trabalho útil.
Em 1698 Thomas Savery (1650-1715), mecânico
inglês, patenteou a primeira maquina vapor realmente prática, uma
bomba para drenagem de água de minas. A bomba de Savery possuía válvulas
operadas manualmente, abertas para permitir a entrada do vapor em um
recipiente fechado. Despejava-se água fria no recipiente para resfria-lo e
condensar o vapor. Uma vez condensado o vapor, abria-se uma válvula de modo
que o vácuo no recipiente aspirasse a água através de um cano.
Em 1712, Thomas Newcomen (1663 - 1729),
ferreiro inglês, Inventou outra máquina a vapor para esvaziamento das águas
de infiltrações das minas. A máquina de Newcomen possuía uma viga
horizontal à semelhança de uma gangorra, da qual pendiam dois êmbolos, um
em cada extremidade. Um êmbolo permanecia no interior de um cilindro.
Quando o vapor penetrava no cilindro, forçava o êmbolo para cima, e
acarretava a descida da outra extremidade da viga. Borrifava-se água fria
no cilindro, o vapor se condensava e o vacuo sugava o êmbolo de novo para
baixo. lsto elevava o outro extremo da viga, que se ligava ao êmbolo de uma
bomba na mina.
A
Máquina de Watt. Quando James Watt, engenheiro escocês, iniciou
suas experiências em 1763, a máquina de Newcomen era a melhor e a mais
utilizada. Watt estudou-a detalhadamente e concluiu que utilizava enorme
quantidade de vapor e portanto grande quantidade de combustível. Watt
observou que o aquecimento e o resfriamento alternados do cilindro desperdiçavam
muito calor. Com base nessas. observações, inventou uma máquina em que o
condensador e o cilindro eram recipientes separados. O cilindro sempre
permanecia quente, O que economizava 3/4 do combustível. Esse aperfeiçoamento
permitiu que se evitasse o desperdício de vapor pela condensação ao
entrar em contato com o cilindro frio.
Watt registrou sua primeira patente de uma máquina
a vapor em 1769, e prosseguiu os aperfeiçoamentos das máquinas. Talvez seu
feito mais importante seja o uso do principio da dupla ação. Nas máquinas
baseadas nesse princípio, o vapor é primeiramente utilizado sobre uma das
faces do êmbolo, e depois sobre a outra. Watt também introduziu o método
de conter o vapor quando o cilindro estava parcialmente cheio, o que
permitia a expansão do vapor já no cilindro, completando o movimento do
embolo. Muitas pessoas, por equívoco, atribuem a Watt a invenção da máquina
a vapor. Mas ele apenas a aperfeiçoou. Reduziu o custo de operação das máquinas
com condensação e tornou-a práticas para outros tipos de aplicações além
do bombeamento.
Máquinas
a Vapor Modernas.
O principal melhoramento introduzido nas máquinas
de Newcomen e de Watt no decorrer dos anos foi o desenvolvimento de máquinas
capazes de operarem com vapor de alta pressão. Watt não experimentou o
vapor de alta pressão, pois temia uma explosão. Às pressões nas suas máquinas
não ultrapassavam a pressão do ar, 1kg/cm2. No final do séc.
XVIII e Início do séc. XIX Richard Trevithick engenheiro e inventor inglês
construiu as primeiras maquinas a vapor de alta pressão. Uma das suas primeiras
máquinas operava sob 2kg de pressão. Em 1815, Oliver Evans, engenheiro
norte-americano, construiu uma máquina a vapor sob pressão relativamente
elevada, 14kg. Hoje muitas maquinas a vapor operam sob uma pressão superior
a 7Okg/cm2.
Outros melhoramentos introduzidos nas máquinas
a vapor incluem o desenvolvimento da máquina compound e o uso do vapor
superaquecido. No superaquecimento, a temperatura do vapor é elevada a mais
de 3700C sem que haja aumento de pressão. Isto ajuda a evitar
que o vapor admitido se condense sobre as superfícies do cilindro do êmbolo,
pois o vapor superaquecido não esfria tão rapidamente quanto o vapor em
condições normais, No fim do séc, XIX. a invenção das turbinas a vapor
representou grande avanço no campo das máquinas a vapor. As turbinas a
vapor constituem uma fonte econômica de energia para acionar geradores elétricos
e hélices de navios a vapor.
