Energia mecânica é normalmente perdida pelo atrito entre os componentes de um sistema mecânico, uma máquina ou mecanismo. O atrito é um fenômeno de superfície que as aquece, isto é, aumenta sua temperatura. Esse atrito pode se dar entre corpos rígidos, entre fluidos e corpos rígidos, e entre fluidos. Por exemplo um eixo girando apoiado sobre um mancal, mesmo quando lubrificado, está sujeito ao atrito com o material do mancal (nos pontos onde o filme de lubrificante é rompido) e atrito com o próprio lubrificante. Um navio sofre o atrito com a água do mar e com o ar. Da mesma forma um automóvel sofre atrito com o solo e com o ar. Se um avião estiver a uma velocidade elevada o aquecimento da fuselagem e das asas pode provocar seu amolecimento ou fratura ou mesmo combustão, levando à perda desses componentes.
Essa energia mecânica perdida por atrito se transforma em uma outra energia conhecida como energia térmica ou, simplesmente, calor.
Mas essa não é a única forma de gerar calor. Uma combustão provoca uma grande geração de energia térmica cuja origem está na liberação da energia interna do material em combustão e do oxigênio que alimenta o processo. Por exemplo, na combustão da madeira o principal gerador de energia térmica é devido à reação do carbono (C) com o oxigênio (O), produzindo monóxido de carbono (CO) e, em presença de maior quantidade de oxigênio, em gás carbônico (CO2).
Outra maneira de se gerar energia térmica é pela passagem de corrente elétrica em um meio condutor. O atrito que os elétrons sofrem ao se movimentar no meio do material condutor, gera o aquecimento (aumento de temperatura) desse condutor.
Entre outra infinidade de fenômenos que produzem energia térmica, um dos mais importantes é o das reações nucleares de fissão ou de fusão.Nessas reações a energia térmica liberada corresponde à massa perdida durante a reação, de acordo com a Lei de Einstein E = mc2 em que E é a energia liberada, m é a massa perdida durante a reação nuclear e c é a velocidade da luz no vácuo.
Considerações de ordem técnica levaram a estabelecer o equivalente mecânico do Calor, isto é, se toda a energia mecânica for perdida em energia térmica, qual a relação entre essas quantidades? Para isso é necessário estabelecer uma unidade de medida da energia térmica ou seja do calor. Essa unidade chama-se caloria, indicada pelo símbolo cal. Por definição, uma caloria é a quantidade de calor (energia térmica) capaz de elevar a temperatura de 1g de água pura, em pressão norma, de 14,5o C a 15,5o C. O múltiplo da pequena caloria é a quilocaloria, cujo símbolo é kcal, energia térmica capaz de elevar a temperatura de 1kg de água pura, em pressão normal, de 14,5o C a 15,5o C. Resulta assim que 1kcal = 1000 cal.
Experimentos a serem descritos no Capítulo de Termodinâmica estabeleceram o EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR, ou seja, se toda a energia mecânica correspondente a 1 Joule for transformada em calor devem resultar 0,239 cal. Vice-versa, se fosse possível transformar toda a energia térmica correspondente a 1 cal em energia mecânica, resultariam 4,186 Joules. A impossibilidade de se transformar totalmente um tipo de energia no outro resulta na impossibilidade de se ter um MOTO CONTÍNUO, isto é, por exemplo um gerador acoplado a um motor e este acoplado ao mesmo gerador, operando indefinidamente, conforme ilustra a Figura 1.1
EXEMPLO: Um corpo cai na atmosfera sofrendo atrito com o ar de acordo com a relação R = CrSv2/2, onde o coeficiente aerodinâmico C, no caso, vale 0,5, a densidade do ar média ao longo do percurso do objeto é 1,2 kg/m3, a área da seção do corpo na direção da queda é 1m2 e sua velocidade no intervalo considerado é da ordem de 5 km/s, ou seja, 18 x 106 m/s. Considerando a força de atrito atuando no corpo, determinar a energia perdida por segundo e o calor liberado pelo atrito nesse mesmo tempo.
A potência da força de atrito é P = Rv = CrSv3/2 = energia perdida por segundo. Obtém-se P = 17,496 x 1020 W. Uma potência digna de um grande meteorito. O equivalente mecânico do calor é 0,239 cal/J. Logo o calor liberado pelo atrito com a atmosfera é 4,181544 x 1020 cal/s, ou, aproximadamente, 4,2 x 1017 kcal/s. Chama-se a atenção que, de fato, um meteorito queima na atmosfera como uma tocha, mesmo sendo constituído de metais como o Ferro e o Níquel.
FIGURA 1.1 - SEM PERDAS POR ATRITO MECÂNICO E ELETRO-MAGNÉTICO, UM GERADOR FORNECE ELETRICIDADE A UM MOTOR E ESTE ACIONA O GERADOR, POR TEMPO INDETERMINADO ,a name=2>(MOTO CONTÍNUO)
Na Figura 1.1 chamou-se de atrito eletromagnético a resistência provocada por correntes elétricas residuais entre o rotor e o estator do motor. Você pode construir um moto contínuo dessa natureza utilizando seu Laboratório Virtual e ajustando as propriedades do ambiente de forma adequada.
Na industria e mesmo no comércio costuma ser usada a British Termal Unit (BTU), unidade que corresponde ao calor capaz de aquecer 1 libra de água de 4o F. Verifica-se, facilmente, a relação 1 BTU = 0,252 kcal.
Adotando a relação entre graus Fahrenheit e graus Celsius e considerando que 1 libra = 0,454 kg, determine a relação entre BTU e kcal.
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