Física · 9.ª–12.ª classe

Como calcular o rendimento de uma máquina?

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  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

O rendimento de uma máquina é a fração da energia fornecida que se transforma em energia útil: η = Eútil ÷ Efornecida (ou Pútil ÷ Pfornecida). Multiplica-se por 100 para obter percentagem. Exemplo: uma máquina que recebe 500 J e fornece 400 J de energia útil tem η = 0,8, isto é, 80%.

Fórmula e significado de cada termo

Nenhuma máquina real transforma toda a energia que recebe em energia útil: uma parte perde-se, sobretudo como calor (atrito, aquecimento, ruído). O rendimento mede quão bem a máquina aproveita a energia.

Rendimento

η = Eútil ÷ Efornecida η (%) = (Eútil ÷ Efornecida) × 100 Com potências: η = Pútil ÷ Pfornecida Energia dissipada: Edissipada = Efornecida − Eútil

  • η (letra grega "eta") é o rendimento: um número sem unidades entre 0 e 1, ou uma percentagem.
  • Efornecida é a energia que a máquina recebe (eletricidade, combustível, esforço humano), em joules (J).
  • Eútil é a energia que a máquina entrega para o fim pretendido (trabalho mecânico, luz, etc.), na mesma unidade.
  • P é a potência (energia por unidade de tempo), em watts (W). Como P = E ÷ t, o rendimento calculado com potências dá o mesmo valor.

Condições de aplicação

Energia útil e energia fornecida têm de estar na mesma unidade e referir-se ao mesmo intervalo de tempo. O rendimento de uma máquina real é sempre menor que 100% (η < 1). Um valor superior a 100% indica erro de cálculo ou troca entre os dois valores.

Passo a passo

  1. Identifique a energia (ou potência) fornecida à máquina: é o que "entra".
  2. Identifique a energia (ou potência) útil: é o que "sai" e serve o objetivo. Por vezes tem de a calcular, por exemplo, o trabalho para elevar uma carga é m g h.
  3. Converta para a mesma unidade (J com J, W com W; 1 kWh = 3,6 × 106 J).
  4. Divida: η = útil ÷ fornecida.
  5. Converta em percentagem, se pedido: multiplique por 100.
  6. Verifique: o resultado tem de ser menor que 1 (ou 100%). Para obter a energia perdida, subtraia: fornecida − útil.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Cálculo direto

Enunciado: Um motor recebe 500 J de energia e fornece 400 J de energia útil. Calcule o rendimento e a energia dissipada.

Resolução:

  1. η = Eútil ÷ Efornecida = 400 ÷ 500 = 0,8.
  2. Em percentagem: 0,8 × 100 = 80%.
  3. Edissipada = 500 − 400 = 100 J.

Resposta: η = 80% e 100 J dissipados. Verificação: 0,8 × 500 = 400 J.

Exemplo 2 — Com potências: uma bomba de água

Enunciado: Uma bomba, alimentada com uma potência de 4 000 W, eleva 600 kg de água a uma altura de 5 m em 10 s. Calcule o rendimento (g = 10 m/s2).

Resolução:

  1. Energia útil: o trabalho contra o peso, Eútil = m g h = 600 × 10 × 5 = 30 000 J.
  2. Potência útil: Pútil = 30 000 J ÷ 10 s = 3 000 W.
  3. η = Pútil ÷ Pfornecida = 3 000 ÷ 4 000 = 0,75.

Resposta: 75%. Verificação: a energia fornecida em 10 s é 4 000 × 10 = 40 000 J, e 30 000 ÷ 40 000 = 0,75.

Exemplo 3 — Gerador a gasóleo

Enunciado: Um gerador recebe, do combustível, 36 MJ de energia e fornece 3 kWh de energia elétrica. Qual é o seu rendimento? (1 kWh = 3,6 MJ)

Resolução:

  1. Converter a energia útil para MJ: 3 kWh = 3 × 3,6 = 10,8 MJ.
  2. η = 10,8 ÷ 36 = 0,3.

Resposta: 30%. Verificação: 0,3 × 36 = 10,8 MJ. Os restantes 25,2 MJ são perdidos, sobretudo em calor.

Exemplo 4 — Nível de exame: calcular a energia fornecida

Enunciado: Um guindaste com rendimento de 60% eleva um bloco de 200 kg a 12 m de altura. Que energia tem de ser fornecida ao guindaste? Quanta é dissipada? (g = 10 m/s2)

Resolução:

  1. Energia útil: Eútil = m g h = 200 × 10 × 12 = 24 000 J.
  2. De η = Eútil ÷ Efornecida tira-se Efornecida = Eútil ÷ η = 24 000 ÷ 0,6 = 40 000 J.
  3. Energia dissipada = 40 000 − 24 000 = 16 000 J.

Resposta: fornecidos 40 000 J (40 kJ); dissipados 16 000 J. Verificação: 0,6 × 40 000 = 24 000 J.

Erros frequentes

  • Inverter a fração (fornecida ÷ útil) e obter um rendimento maior que 100%. A energia útil fica sempre no numerador.
  • Misturar unidades, por exemplo kWh com J ou W com kW, sem converter antes de dividir.
  • Esquecer que η é adimensional: não leva joules nem watts. Só leva "%" se multiplicar por 100.
  • Tomar como "energia útil" a energia total: se a máquina é uma lâmpada, a energia útil é a luz emitida, não a energia elétrica consumida.
  • Comparar energia com potência: divida energia por energia, ou potência por potência.
  • Somar rendimentos em máquinas ligadas em série, quando se devem multiplicar.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Uma máquina recebe 800 J e realiza 600 J de trabalho útil. Calcule o rendimento.

Ver solução

η = 600 ÷ 800 = 0,75 = 75%.

2Exercício 2

Um motor com rendimento de 60% recebe uma potência de 1 500 W. Qual é a potência útil?

Ver dica

Pútil = η × Pfornecida.

Ver solução

Pútil = 0,6 × 1 500 = 900 W.

3Exercício 3

Uma máquina com rendimento de 40% fornece 2 000 J de energia útil. Que energia recebeu e quanta dissipou?

Ver solução

Efornecida = 2 000 ÷ 0,4 = 5 000 J. Edissipada = 5 000 − 2 000 = 3 000 J.

4Exercício 4

Um motor elétrico, ligado a 220 V, consome uma corrente de 5 A e fornece uma potência mecânica de 880 W. Calcule o seu rendimento.

Ver dica

A potência elétrica é P = U × I.

Ver solução

Pfornecida = 220 × 5 = 1 100 W. η = 880 ÷ 1 100 = 0,8 = 80%.

5Exercício 5

Dois equipamentos ligados em série: um motor com rendimento de 90% aciona uma bomba com rendimento de 50%. (a) Qual é o rendimento do conjunto? (b) Se o conjunto receber 1 000 J, quanta energia útil sai?

Ver dica

Em série, o rendimento total é o produto dos rendimentos.

Ver solução

(a) ηtotal = 0,9 × 0,5 = 0,45 = 45%. (b) Eútil = 0,45 × 1 000 = 450 J. Confirme por etapas: o motor entrega 0,9 × 1 000 = 900 J e a bomba aproveita 0,5 × 900 = 450 J.

Perguntas frequentes

Qual é a fórmula para calcular o rendimento de uma máquina?

É η = Eútil ÷ Efornecida, ou, com potências, η = Pútil ÷ Pfornecida. O resultado está entre 0 e 1, ou entre 0% e 100% se multiplicar por 100.

Como verificar se o resultado está correto?

O rendimento tem de ser menor que 100%. Depois, multiplique-o pela energia fornecida: deve obter a energia útil. Se isto falhar, provavelmente trocou o numerador pelo denominador.

Pode uma máquina ter rendimento de 100%?

Não, em máquinas reais. Há sempre perdas por atrito, aquecimento ou ruído. Uma máquina com rendimento maior que 100% criaria energia, o que contraria o princípio da conservação da energia.

Que erros se cometem ao calcular o rendimento?

Inverter a fração, misturar unidades e ignorar que, em máquinas em série, os rendimentos se multiplicam. Veja "Erros frequentes".

Resumo

  • η = Eútil ÷ Efornecida (ou Pútil ÷ Pfornecida), sem unidades.
  • Em percentagem, multiplica-se por 100.
  • O rendimento de uma máquina real é sempre menor que 100%.
  • Energia dissipada = energia fornecida − energia útil.
  • Em máquinas ligadas em série, os rendimentos multiplicam-se.
  • Use a mesma unidade para os dois termos da fração (J com J, W com W).

Onde aprofundar

  • O manual de Física da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
  • O manual aberto OpenStax Physics (em inglês), capítulos sobre trabalho, energia e potência.
  • O Sistema Internacional de Unidades, descrito pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).

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