UEMG 2022 — questão 18 de Física
Enunciado em texto
No desenvolvimento das máquinas térmicas, especialmente durante a Revolução Industrial, surgiram equipamentos para retirar água das minas de carvão, como a “máquina de Savery” (ver ilustração), e, mais tarde, a máquina de Newcomen. Nesse sentido, James Watt introduziu, anos depois, um dispositivo que melhorou muito a eficiência mecânica da máquina termodinâmica. Que dispositivo era esse?
[Figura: esquema da máquina de Savery. À esquerda, uma caldeira (balão com água) aquecida por chamas, com uma válvula no alto. Um tubo com a válvula A leva o vapor da caldeira até um “cilindro” (reservatório parcialmente cheio de água). Acima do cilindro, um cano derivado do tubo vertical, com a válvula C, termina aberto logo sobre o cilindro. Do cilindro sai um tubo vertical, com a válvula B acima e a válvula D abaixo da ligação: por baixo, ele desce até a “Água na mina”; por cima, sobe até o alto do terreno, onde a água é despejada.]
A) Eolípila de Heron.
B) Condensador.
C) Válvula termostática.
D) Pistão.
(Enunciado e figura: Vestibular UEMG 2022 — Universidade do Estado de Minas Gerais.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade do Estado de Minas Gerais (UEMG).
Resolução comentada
O que a questão pede: qual invenção de James Watt melhorou muito a eficiência das máquinas a vapor de Savery e Newcomen.
Passo 1 — o desperdício das máquinas antigas. Na máquina de Savery (e na de Newcomen), o vapor entra no cilindro e depois é condensado no próprio cilindro, jogando água fria sobre ele ou dentro dele. Isso cria o vácuo que puxa a água da mina, mas resfria o cilindro a cada ciclo. No ciclo seguinte, boa parte do vapor novo é gasta só para reaquecer o metal do cilindro, e esse calor vai embora sem produzir trabalho.
Passo 2 — a solução de Watt. Em 1765, Watt teve a ideia do condensador separado: uma câmara à parte, sempre fria, ligada ao cilindro. O vapor é levado para lá e condensa, enquanto o cilindro continua quente o tempo todo. O consumo de carvão para o mesmo trabalho caiu para cerca de um quarto do da máquina de Newcomen.
Do ponto de vista da termodinâmica: a máquina térmica trabalha entre uma fonte quente (o vapor) e uma fonte fria (onde ele condensa). Separar as duas evita que o calor passe à toa do vapor para o cilindro resfriado, perda que não gera trabalho.
Por que não as outras: a eolípila (A) é a “turbina” de vapor de Heron de Alexandria, do século I, um brinquedo da Antiguidade, muito anterior a Watt. O pistão (D) já existia na máquina de Newcomen (1712), que Watt aperfeiçoou. A válvula termostática (C) não foi a contribuição de Watt (o controle de velocidade que ele adotou foi o regulador centrífugo, que não é o que aumentou a eficiência).
⚠️ A armadilha: marcar “pistão” por associar a máquina a vapor a um pistão que sobe e desce. O pistão veio antes, com Newcomen; a grande inovação de Watt foi tirar a condensação de dentro do cilindro.
A ideia em uma frase: Watt pôs a condensação do vapor numa câmara separada e fria, o condensador, e o cilindro deixou de ser resfriado e reaquecido a cada ciclo.
Resposta: alternativa B (condensador).
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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