Foi para estudar as máquinas térmicas e como melhorar sua eficiência que surgiu a disciplina da termodinâmica. A primera patente de uma máquina térmica foi obtida pelo engenheiro e capitão da marinha britânica Thomas Savery em 1689, após apresentar sua invenção ao rei da Inglaterra. Um ano depois, sua patente foi extendida até 1732, e lhe dava direito sobre qualquer máquina que utilizasse o fogo para gerar trabalho. Era na verdade uma bomba para remover água das minas de carvão. Em 1712 Newcomen apresenta uma máquina mais eficiente, mas a patente de Savery exigiu que ambos se associassem. Um novo desenvolvimento so ocorre com James Watt.
Na primeira parte do curso serão apresentados os ciclos de geração de potência a vapor. Essa é, ainda hoje, a principal forma de geração de energia no mundo.
O ciclo teórico, com a máxima eficiência possível, é chamado de Ciclo de Carnot, em homenagem ao engenheiro francês que, em 1824, publicou um livro procurando compreender quais eram os princípios físicos responsáveis pelo funcionamento das máquinas térmicas. Seu desenvolvimento se baseou na teoria do calórico, proposta por Lavoisier, que afirmava que o calórico era um fluído sem massa, cuja presença era caracterizada pela alta temperatura. Por analogia a uma roda d'água, cuja queda da água leva ao movimento, a "queda" do calórico de regiões quentes para frias resultava no trabalho da máquina térmica. Embora a teoria do calórico tenha sido superada e substituída pela teoria da equivalência mecânica do calor, proposta por Conde Rhumford e defendida por James Joule, os trabalho de Carnot tem grande importância, apresentando o conceito de processos reversíveis, e iluminando o princípio de funcionamento de todas as máquinas térmicas.
O ciclo prático é o de Rankine. Inicialmente será apresentada a mínima modificação necessária para se converter o ciclo de Carnot no de Rankine, e após os efeitos das irreversibilidades serão introduzidos, assim como formas de se aumentar o rendimento, seja pelo superaquecimento do vapor, reaquecimento e múltiplas turbinas.
Ciclo de geração de potência a Vapor
O ciclo de Carnot considera componentes perfeitos e processos de troca de calor com mudanças de fase apenas. É um ciclo idealizado, que serve de referência para a avaliação do desempenho dos ciclos reais.
Qual a mínima modificação possível para tornar o ciclo de Carnot prático?
Alterar a entrada da bomba para líquido saturado. Consequentemente a saída da bomba (e entrada da caldeira) será de líquido comprimido. Também considerando turbina e bombas isoentrópicos, o rendimento cai devido à redução da temperatura média da fonte quente.
Para aumentar a temperatura média da fonte quente, e consequentemente o rendimento, faz-se o superaquecimento do vapor na saída da turbina. Esse superaquecimento está limitado por propriedades dos materiais, tanto pressão quanto temperatura. O reaquecimento, com múltiplas turbinas, também é uma opção. A redução da pressão na saída da turbina pode resultar em problemas para a durabilidade da turbina, pois reduz o título na saída da mesma. As condições ambientes também limitam a pressão na linha de baixa.
Ciclos a Gás
O ciclo de geração de potência a gás é chamado de ciclo Brayton. O ciclo combinado Brayton e Rankine é o que obtém maior rendimento. Turbinas a gás para propulsão de aeronaves também serão apresentadas, assim como os motores a reação, ou turbofans.
Os motores a combustão interna serão apresentados nos ciclos teóricos Otto e Diesel.
As equações para gases ideais, as equações para cálculo da entropia para gases e as equações isoentrópicas para gases ideais são extremamente importantes e serão apresentadas inicialmente.
O ciclo Brayton regenerativo procura aproveitar a alta temperatura na saída da turbina para pre-aquecer o gás na entrada da câmara de combustão, reduzindo assim o consumo a energia necessária e consequentemente aumentando o rendimento.
No processo de compressão do gás, realizar uma compressão intermediária, resfriar e utilizar um segundo compressor para obter a pressão final desejada resulta em menor trabalho total de compressão.
Motores de combustão interna
Os ciclos mais comums para os motores de combustão interna são o Otto e o Diesel. O ciclo Atkinson ganhou espaço recentemente, sendo utilizado em lançamentos recentes como o Toyota Corolla 2019.
