Motor a vapor

Motor a vapor, máquina que utiliza energia a vapor para realizar trabalhos mecânicos através da agência de calor.

Questionário Britannica

Inventores e Invenções

Os nossos antepassados humanos mais antigos inventaram a roda, mas quem inventou o rolamento de esferas que reduz a fricção rotacional? Deixe as rodas na sua cabeça rodar enquanto testa os seus conhecimentos sobre inventores e as suas invenções neste questionário.

Segue-se um breve tratamento dos motores a vapor. Para um tratamento completo da potência e produção de vapor e de motores a vapor e turbinas, ver Conversão de Energia: Motores a vapor.

Num motor a vapor, o vapor quente, normalmente fornecido por uma caldeira, expande-se sob pressão, e parte da energia térmica é convertida em trabalho. O resto do calor pode ser deixado escapar, ou, para máxima eficiência do motor, o vapor pode ser condensado num aparelho separado, um condensador, a uma temperatura e pressão comparativamente baixas. Para um elevado rendimento, o vapor deve cair através de uma vasta gama de temperaturas como consequência da sua expansão dentro do motor. O desempenho mais eficiente – isto é, o maior rendimento do trabalho em relação ao calor fornecido – é assegurado pela utilização de uma baixa temperatura do condensador e de uma alta pressão da caldeira. O vapor pode ainda ser aquecido passando por um sobreaquecedor no seu caminho da caldeira para o motor. Um sobreaquecedor comum é um grupo de tubos paralelos com as suas superfícies expostas aos gases quentes na fornalha da caldeira. Por meio de sobreaquecedores, o vapor pode ser aquecido para além da temperatura a que é produzido pela água a ferver.

Num motor alternativo, do tipo pistão e cilindro do motor a vapor, o vapor sob pressão é admitido no cilindro por um mecanismo de válvula. À medida que o vapor se expande, empurra o pistão, que está normalmente ligado a uma manivela num volante para produzir um movimento rotativo. No motor de duplo efeito, o vapor da caldeira é admitido alternadamente para cada lado do pistão. Num motor a vapor simples, a expansão do vapor ocorre em apenas um cilindro, enquanto que no motor composto existem dois ou mais cilindros de tamanho crescente para maior expansão do vapor e maior eficiência; o primeiro e mais pequeno pistão é operado pelo vapor de alta pressão inicial e o segundo pelo vapor de baixa pressão esgotado a partir do primeiro.

Na turbina de vapor, o vapor é descarregado a alta velocidade através de bicos e depois flui através de uma série de pás estacionárias e móveis, provocando o movimento de um rotor a alta velocidade. As turbinas a vapor são mais compactas e geralmente permitem temperaturas mais elevadas e maiores taxas de expansão do que os motores a vapor recíprocos. A turbina é o meio universal utilizado para gerar grandes quantidades de energia eléctrica com vapor.

As primeiras máquinas a vapor foram as novidades científicas de Hero de Alexandria no século I ce, tais como a aeolipile, mas não até ao século XVII foram tentativas feitas para aproveitar o vapor para fins práticos. Em 1698 Thomas Savery patenteou uma bomba com válvulas manuais para elevar a água das minas por sucção produzida por vapor de condensação. Em cerca de 1712, outro inglês, Thomas Newcomen, desenvolveu um motor a vapor mais eficiente com um pistão que separava o vapor de condensação da água. Em 1765 James Watt melhorou grandemente o motor Newcomen ao adicionar um condensador separado para evitar o aquecimento e arrefecimento do cilindro a cada curso. Watt desenvolveu então um novo motor que girava um eixo em vez de proporcionar o simples movimento para cima e para baixo da bomba, e acrescentou muitas outras melhorias para produzir uma central eléctrica prática.

Um pesado carro a vapor para estradas foi construído em França por Nicholas-Joseph Cugnot já em 1769. Richard Trevithick em Inglaterra foi o primeiro a utilizar uma carruagem a vapor num caminho-de-ferro; em 1803 construiu uma locomotiva a vapor que, em Fevereiro de 1804, fez uma corrida bem sucedida numa rota de carros a cavalo no País de Gales. A adaptação da locomotiva a vapor aos caminhos-de-ferro tornou-se um sucesso comercial com a Rocket of English engineer George Stephenson em 1829. O primeiro barco a vapor prático foi o rebocador Charlotte Dundas, construído por William Symington e experimentado no Forth and Clyde Canal, na Escócia, em 1802. Robert Fulton aplicou a máquina a vapor a um barco de passageiros nos Estados Unidos em 1807.

Embora o motor a vapor tenha cedido lugar ao motor de combustão interna como meio de propulsão de veículos, o interesse por ele reavivou na segunda metade do século XX devido aos crescentes problemas de poluição do ar causados pela queima de combustíveis fósseis em motores de combustão interna.