ENGENHARIA MECÂNICA

DIEGO ROBERTO DE CARAVALHO RA: 5212967599 – 5ª fase

JEFERSON LUIS DOS SANTOS RA: 3709598798 – 6ª fase

CHARLES ROBERTO BERG RA: 3709633506 – 6ª fase

PEDRO ROGERIO BRITO LOBO – RA 5295126802 5ª fase

ALESOM DOUGLAS ZDEBSKI – RA 5212967006 5ª fase

FABIO ALVINO DE FREITAS – RA 5670138277 5ª fase

PROFESSOR: JUSCELINO SHINDSI SAKAI

DISCIPLINA:

TERMODINÂMICA APLICADA

JARAGUA DO SUL

2014

Índice

Introdução..............................................................................................................................03 Desafio e Objetivo..................................................................................................................04 ETAPA 1..................................................................................................................................05 ETAPA 1..................................................................................................................................06 ETAPA 1..................................................................................................................................07 ETAPA 1..................................................................................................................................08 ETAPA 2..................................................................................................................................09 ETAPA 2..................................................................................................................................10 ETAPA 2..................................................................................................................................11 ETAPA 2..................................................................................................................................12 ETAPA 2..................................................................................................................................13 ETAPA 2..................................................................................................................................14 ETAPA 3..................................................................................................................................15 ETAPA 3..................................................................................................................................16 ETAPA 3..................................................................................................................................17 ETAPA 3..................................................................................................................................18 ETAPA 3..................................................................................................................................19 ETAPA 3..................................................................................................................................20 ETAPA 3..................................................................................................................................21 ETAPA 4..................................................................................................................................22 ETAPA 4..................................................................................................................................23 ETAPA 4..................................................................................................................................24 ETAPA 4..................................................................................................................................25 ETAPA 4..................................................................................................................................26 ETAPA 4..................................................................................................................................27 Bibliografia.............................................................................................................................15

Introdução

Seguindo nas definições e conceitos fundamentais da termodinâmica,

desenvolvemos as etapas desta atividade prática voltado ao estudo do funcionamento do

motor de um veículo a partir dos seus processos termodinâmicos.

Desafio

Máquinas Térmicas são utilizadas para realizar trabalho ao receberem calor —

por exemplo, turbinas e motores. Os motores de automóveis são os mais conhecidos e

estudados quando se trata de ciclos termodinâmicos. Esses motores de explosão são

compostos basicamente de um cilindro, válvula de admissão, válvula de escape e uma

vela de ignição e, como outras máquinas térmicas, operam de forma cíclica, voltando ao

seu estado inicial antes de iniciar outro ciclo.

Objetivo do desafio

O desafio é promover o estudo do funcionamento do motor de um veículo. Este

desafio é importante para que o aluno adquira uma sólida base conceitual dos processos

termodinâmicos, capacitando-o a aplicar a teoria estudada em sala de aula para o

desenvolvimento de qualquer outro projeto relacionado ao mesmo assunto.

ETAPA 1

Aula-tema: Definição e Conceitos Fundamentais. Substâncias Puras e

Propriedades.

Passo 1

Pesquisar em livros da área a definição da palavra termodinâmica, inclusive

a origem etimológica, e também o que é um sistema termodinâmico. Pesquisar,

ainda, os principais cientistas que contribuíram para o desenvolvimento da

Termodinâmica Clássica.

Definição da palavra termodinâmica: (Substantivo feminino. Ciências

Naturais), parte da Física que investiga as relações entre Calor, Trabalho e outras

formas de energia, e em especial a transformação de um tipo de energia em outra.

A Termodinâmica do Grego: THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia;

DYNAMIS – FORÇA. Embora vários aspectos pelos quais a Termodinâmica é

conhecida vem desde a Antiguidade, seu estudo formal começou no século XIX,

motivado pela utilização do Calor como força motriz. Atualmente: espectro bastante

abrangente, como ciência da ENERGIA e das relações entre as Propriedades da matéria.

Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e

Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre

as propriedades da matéria. Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas

relações com a vizinhança.

Sistema Termodinâmico: Consiste em uma quantidade de matéria ou região

para a qual nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em

função daquilo que desejamos calcular. Um importante passo em toda análise em

engenharia é a identificação precisa do objeto a ser estudado. Em mecânica, quando o

movimento de um corpo precisa ser determinado, normalmente o primeiro passo é a

definição de um “corpo livre” e depois a identificação de todas as forças externas

exercidas sobre ele por outros corpos. A segunda lei do movimento de Newton é então

aplicada. Então o sistema para análise pode ser um corpo livre ou algo complexo como

uma Refinaria completa. Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de

paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui. Tudo que se situa fora

do sistema termodinâmico é chamado “meio” ou “vizinhança”.

Os tipos de sistemas: Sistema Fechado é o sistema termodinâmico no qual não

há fluxo de massa através das fronteiras que definem o sistema. Volume de Controle é o

sistema termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de controle

que define o sistema. Os principais cientistas que contribuíram para o desenvolvimento

da Termodinâmica Clássica foram:

- James Watt (1736-1819) - Revolução industrial

- Joseph Black(1728-1799) - fluido imponderável chamado “calórico”, calor latente;

- Sadi Carnot(1796-1832 )- ciclo de Carnot, analogia máquina a vapor;

- Antoine Laurent de Lavoisier - foi o 1º a enunciar o principio da conservação da matéria;

- Benjamin Thompson;

- James Prescott(1818-1889).

Passo 2

1 - Pesquisar como funciona o sistema de refrigeração de um motor, qual é o tipo

de substância utilizada como líquido de arrefecimento e quais as suas

propriedades.

Existem dois tipos de sistemas de arrefecimento encontrados em carros:

arrefecimento a líquido e arrefecimento a ar. O sistema de arrefecimento a líquido faz

circular um fluido por mangueiras e partes do motor. Ao passar pelo motor quente o

líquido absorve calor, resfriando o motor. Depois que o fluido deixa o motor ele passa

por um trocador de calor, ou radiador, que transfere o calor do fluido para o ar que

passa pelo radiador. Já o sistema de Arrefecimento a ar, alguns carros mais antigos (o

Fusca e seus derivados, por exemplo) e uns poucos contemporâneos usam motores

refrigerados a ar. Em vez de haver um líquido circulando pelo motor, o bloco e o

cabeçote são dotados de aletas que aumentam a área de absorção de calor e de contato

com o ar, conduzindo o calor para longe do motor. Uma potente ventoinha força o ar

sobre essas aletas, que resfriam o motor ao acelerar a transferência de calor para o ar.

Quando o motor é exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, a ventoinha pode ser

dispensada. A água é um dos fluidos mais eficazes na conservação de calor, mas ela

congela numa temperatura muito baixa para ser usada em motores de automóveis. O

fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etileno-glicol (C2H6O2),

também conhecido como aditivo de radiador ou anticongelante. Adicionando-se etileno-

glicol à água, os pontos de ebulição e de congelamento melhoram significativamente.

Água pura 50/50 C2H6O2 /Água 70/30 C2H6O2/Água.

Ponto de congelamento -0º C -37º C -55º C. Ponto de ebulição 100ºC 106ºC 113°C.

2 - Comparar a quantidade de água e de ar necessárias para proporcionar a mesma

refrigeração a um motor de automóvel.

Q = m.c.∆T

m.cH2O.∆T = m.car.∆T m.H2O = c.H2O.m.ar.C.ar

c.H2O = 4.186 J\Kg.K = 4.186 J\Kg.K c.ar = 1.000J\Kg.K

Passo 3

1 - Pesquisar qual a faixa de temperatura em que geralmente o líquido de arrefecimento

opera, e o tipo de termômetro utilizado para fazer essa medição da temperatura do

motor do carro.

O principal soluto nos líquidos de arrefecimento é o etileno glicol, (1, 2 etanodiol),

álcool de fórmula HO-CH2CH2-OH. A sua temperatura de congelamento é de -12,9oC, e a de

ebulição é de 197,3º.A adição de 50% de etileno glicol à água de arrefecimento faz com que a

temperatura de congelamento seja inferior a -33C, e a de ebulição, superior a 160ºC. Para

medir a temperatura é utilizado um sensor temperatura líquido de arrefecimento que informa à

central a temperatura do líquido de arrefecimento, o que é muito importante, pois identifica a

temperatura do motor. Nos momentos mais frios o motor necessita de mais combustível.

2 - Justificar a importância desse tipo de medição em relação à combustão do

combustível.

Quando se faz a regulagem da temperatura do fluido, o motor trabalha na sua

temperatura normal e aumenta o rendimento do motor e consequentemente reduz o consumo

de combustível.

3 - Justificar a importância desse tipo de medição em relação à combustão do

combustível.

Temperaturas: -12ºC para congelamento e 197,3ºC para ebulição

Para Kelvin = ºC + 273,15 então:

Temperatura congelamento = -285.15ºK.

Ebulição 470,45ºK.

Para Fahrenheit = ºC x 1,8+32.

Congelamento = -53,6ºF.

Ebulição =387,14ºF.

4 - Comentar sobre a utilização dessas outras escalas em outros países.

A escala Celsius é usada em quase todo o mundo cotidianamente, apesar de ter

sido chamada de centigrama até o final de 1980 e início de 1990, principalmente em

previsões do tempo em redes de rádio e televisão europeias como a BBC, a ITV, e

RTÉ.

A escala Fahrenheit foi utilizada principalmente pelos países que foram

colonizados pelos britânicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de

língua inglesa, como os Estados Unidos O kelvin (símbolo: K) é o nome da unidade de

base do Sistema Internacional de Unidades (SI) para a grandeza temperatura

termodinâmica. O kelvin é a fração

da temperatura termodinâmica do ponto triplo

da água.

Passo 4

Comparar o coeficiente de dilatação térmica da gasolina e do álcool e

verificar em que horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis,

baseado em propriedades físicas como densidade e temperatura.

Os líquidos se comportam como os sólidos, sofrendo uma dilatação volumétrica

quando submetidos a uma variação de temperatura. A dilatação aumenta o seu volume,

mas mantém sua massa constante, então, 10 kg de água possui diferentes volumes a 10

°C e 30 °C.

Ao abastecer pagamos pelo volume abastecido e não pela massa de combustível

é mais vantajoso abastecer em um horário em que essa massa de gasolina ocupa o

menor volume possível. O combustível quanto mais frio maior sua densidade (relação

entre massa e volume), então, é melhor abastecer nessa situação.

O melhor horário para abastecer o seu veículo, então, é no início da manhã, pois

o combustível no tanque do posto estará mais frio.

Álcool

Massa especifica = 0,79 Kg\dm3

Coeficiente de dilatação = 1100 x 10-6

(0 – 60ºC)

Ponto de fusão ºC = -114,1

Ponto de ebulição ºC = 78,3

Gasolina

Massa específica = 0,66 Kg\dm3

Coeficiente de dilatação = 9,6 x 10-4

(20 - 220ºC)

Ponto de fusão ºC = -95,3

Ponto de ebulição ºC = 68,74

ETAPA 2

Aula-tema: Primeira Lei da Termodinâmica.

Passo 1

Pesquisar em livros da área a Primeira Lei da Termodinâmica, descrevendo

a equação matemática que representa essa lei.

A primeira lei da termodinâmica consiste no princípio da conservação de energia

e pode ser aplicado em qualquer processo em que o sistema troca energia com o meio

externo na forma de calor e trabalho. Quando fornecemos a um sistema certa quantidade

de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras: 1°- Uma parte da energia

pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (W), expandindo-se ou contraindo-

se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (Transformação

Isométrica, t = 0); 2°- A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia

interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do

sistema. Se a variação de energia for zero (Transformação Isotérmica ΔU = 0) o sistema

utilizou toda a energia em forma de trabalho. ΔU= Q – W Assim temos enunciada a

primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a

diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho W por ele realizado

durante uma transformação. Aplicando a lei de conservação da energia, temos seguinte

equação:

Equação: (ΔU= Q – W à Q = ΔU + W)

Q - Quantidade de calor trocado com o meio: Q > 0 à o sistema recebe calor;

Q < 0 à o sistema perde calor.

ΔU - Variação da energia interna do gás: ΔU > 0 à a energia interna aumenta,

portanto, sua temperatura aumenta; ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua

temperatura diminui.

W - Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho: W > 0 à o

gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta; W < 0 à o gás recebe energia

do meio, portanto, o volume diminui.

Passo 2

1 - Pesquisar, em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, os modos de

transferência de calor que ocorrem nos motores automotivos, as equações

envolvidas e o significado de cada termo, e como esses modos afetam o desempenho

do carro.

Condução: Modo de transferência líquidos e sólidos em repouso. A intensidade é

função do material e do gradiente de temperatura. É a forma de transferência de calor no

cabeçote, paredes do cilindro, pistão, bloco e coletores, onde:

q = fluxo de calor (W/m²), k = condutibilidade térmica (W/m/K), A = área transversal

de transferência (m2).

Convecção: No motor a convecção é forçada, em regime turbulento, pois existe

bombeamento dos fluidos; Depende de relações empíricas específicas para cada tipo de

geometria e escoamento; Convecção é a forma de transferência de calor entre os gases e

líquidos e as paredes dos componentes do motor, onde: h = coeficiente de transferência

de calor por convecção (W/m²/K), Tw = temperatura da superfície da parede sólida

(K) T= temperatura média do fluido (K).

Radiação: Forma de transferência entre corpos quentes e frios por meio de absorção e

emissão de ondas eletromagnéticas; A intensidade é função da diferença de

temperaturas; Depende de parâmetros de forma, absorção e emissividade específicos

para cada tipo material e geometria; É um modo secundário de transferência de calor

entre os gases quentes durante a queima e as paredes do cilindro; É mais significativo

em motores de ignição por compressão (ciclo Diesel) devido a presença de fuligem

durante uma fase da queima do combustível no cilindro; Existe radiação térmica

proveniente do coletor de escape, onde:

Α = constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/m²/K4 € = emissividade Ff = fator

de forma Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K) Tg = temperatura média

do fluido (K).

2 - Relacionar esses modos de transferência às propriedades dos materiais que

compõem o motor.

A transferência de calor afeta a eficiência e o desempenho dos motores através

dos seguintes parâmetros: Temperatura e pressão dos gases de combustão(afeta potência

útil); Consumo específico de combustível; Troca de calor para os gases não queimados,

o que limita a taxa de compressão; Aquecimento da válvula de exaustão, que interfere

na eficiência volumétrica de admissão; Emissões de CO e HC queimados na exaustão;

Temperatura dos gases de exaustão, que controla recuperadores e turbo compressores;

Aquecimento do óleo, que gera atrito; Expansão térmica dos componentes (anéis,

pistões, cilindros, etc.) carrega o sistema de resfriamento e seus acessórios; Temperatura

máxima típica do gás queimado: 2200 ºC (2500 K).

Temperatura máxima do material da parede do cilindro: Ferro fundido 400 ºC

(673 K). Lubrificante: 180 ºC (453 K). Ligas de alumínio: 300 ºC (573 K). Pico de fluxo

de calor para as paredes do cilindro: 0,5 a 10 MW/ m².

Passo 3

Pesquisar, em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, como

ocorre o desperdício na forma de calor no motor de um automóvel, e quais as

novas tecnologias baseadas em materiais termoelétricos.

Uma descrição detalhada da distribuição da energia no motor a combustão

interna é apresentada por Heywood (1988), mostrando a transformação da energia

química do combustível nos diferentes processos de transferência de calor e de

realização de trabalho. Pode-se notar que somente uma parte do total da energia da

combustão é transferida diretamente ao eixo. Aproximadamente 75% da energia do

combustível são perdidos, sendo os restantes aproveitados na forma de trabalho

(Bohacz, 2007) gerando energia a partir do calor. Cientistas das universidades do

Oregon, Estados Unidos, e do Conselho de Pesquisas da Austrália, descobriram como

recuperar essa energia perdida pelos motores a combustão e também como retirar

energia das fontes geotérmicas, uma forma de geração de energia limpa e renovável

disponível em áreas vulcânicas. Os cientistas criaram um novo tipo de material

termoelétrico capaz de converter calor em energia elétrica utilizando nanofios.

Dispositivos termoelétricos nanoestruturados poderão ser práticos para aplicações como

a recuperação do calor perdido nos motores de automóveis e refrigeradores domésticos

mais compactos e silenciosos.

Os pesquisadores Heiner Linke e Tammy Humphrey descobriram que dois

objetos podem ter diferentes temperaturas e ainda assim manterem o equilíbrio mútuo

em nano escala, um fenômeno essencial para que se possa atingir o desempenho

necessário dos materiais termoelétricos na geração de energia elétrica e na refrigeração.

Materiais termoelétricos

Imagine uma xícara de café sobre uma mesa: o café irá esfriar gradualmente

porque as moléculas na xícara transferirão automaticamente o calor do café para a mesa,

até atingir o equilíbrio térmico. Esse fenômeno é explicado pelas leis da termodinâmica:

o calor irá sempre fluir do mais quente para o mais frio. O problema é que a energia

gasta pelos elétrons para fazer essa transferência é simplesmente perdida. Os materiais

termoelétricos tentam recuperar essa energia convertendo-a em eletricidade. Mas o

fluxo de calor for descontrolado os matérias termoelétricos não funcionam muito bem.

A descoberta envolve justamente o controle do movimento dos elétrons, utilizando

materiais que são estruturados em nano escala. O pesquisadores demonstraram que é

possível controlar elétrons que tenham uma energia específica se uma tensão elétrica for

aplicada a um sistema elétrico que tiver uma diferença de temperatura. Isto significa que

um novo tipo de equilíbrio é alcançado no qual os elétrons não migram

espontaneamente do quente para o frio se o material nano estruturado for projetado para

permitir apenas o fluxo desse tipo de elétron. Como o sistema não ficará certamente em

equilíbrio, o fluxo de elétrons pode ser revertido, permitindo que um equipamento

funcione na eficiência máxima possível.

Para os motores de carro, essa eficiência máxima é conhecida como limite de

Carnot. Os pesquisadores acreditam que a tecnologia atual já possibilite que seus

materiais nanoestruturados criem equipamentos que atinjam 50% do limite de Carnot.

Os mais eficientes materiais termoelétricos conhecidos hoje atingem apenas 15% desse

limite. O trabalho foi apresentado na Conferência de Dispositivos em nano escala e

Integração de Sistemas, realizada em Houston, nos Estados Unidos.

Passo 4 (Equipe)

Fazer uma relação de potência utilizada em automóveis típicos a gasolina

(pequeno, médio, grande), para movimentos realizados a 40 km/h e 80 km/h. Calcular a

quantidade de energia que se transfere ao ambiente, se admitir o percurso que um dos

integrantes do grupo faz para ir da casa até a faculdade, para cada um desses

automóveis, numa velocidade razoável.

Cálculos:

V =

Ecin perdida = Ecin – w

V =

Eperdida = 24,68x10³ - 24x10³

V = Eperdida = 6,8x10²

Vméd =

11,11 =

Vf = 22,22m/s

AUTOMÓVEL PEQUENO

a =

Ecin perdida = Ecin – W

a =

Eperdida = 24,68x10³ - 24x10³

a = 0,024m/s² Eperdida = 6,8x10²

W = F.

W = (100.0,024).10000

W = 24x10³J

Ecin =

Ecin =

Ecin = 24,68.10³

AUTOMÓVEL MÉDIO

W = F.

W = (500.0,024).10000

W = 120x10³J

Ecin =

Ecin =

Ecin = 5,55.10³

Ecin perdida = Ecin – W

Eperdida = 5,55x10³ - 120x10³

Eperdida = 666x

AUTOMÓVEL GRANDE

W = F.

W = (2000.0,024).10000

W = 480x10³J

Ecin =

Ecin =

Ecin = 22,22.10³

Ecin perdida = Ecin – W

Eperdida = 22,22x10³ - 480x10³

Eperdida = -457,78x10³

ETAPA 3

Aula-tema: Segunda Lei da Termodinâmica.

Passo-1

1. Pesquisar em livros da área os diversos enunciados para a Segunda Lei

da Termodinâmica, incluindo as concepções sobre a definição de entropia.

“Só é possível transformar calor em trabalho se dispõe de duas fontes de calor e

temperaturas diferentes” (Enunciado de Carnot).

“É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa temperatura e

converter essa energia integralmente em trabalho mecânico sem que haja uma

modificação no sistema ou em suas vizinhanças.” (Enunciado de Kelvin).

“Não há nenhum processo onde o único efeito de energia térmica seja o de

transferir energia de um corpo frio para outro quente.” (Enunciado de Clausius).

“É impossível que uma máquina térmica, operando em ciclos, tenha como único

efeito a extração de calor de um reservatório e a execução de trabalho integral dessa

quantidade de energia.” (Enunciado de Kelvin-Planck).

2. Representar o diagrama de Ciclo de Carnot e verificar se esse ciclo pode

ser proposto ao sistema de motor de explosão de um automóvel.

Ciclo de Carnot:

É um ciclo teórico constituído por duas transformações isotérmicas nas

temperaturas T1 e T2, respectivamente das fontes quente e fria, alternadas com duas

transformações adiabáticas.

AB: expansão isotérmica à temperatura T1 (fonte quente). Nesta transformação o gás

recebe a quantidade de calor Q1.

BC: é a expansão adiabática, na qual a temperatura diminui para T2 CD: compressão

isotérmica à temperatura T2 (fonte fria). Nesta transformação o gás cede a quantidade

de calor Q2

DA: compressão adiabática na qual a temperatura aumenta para T1. O trabalho obtido

por ciclo corresponde à área interna dele.

Passo 2

Explicar, baseado na Segunda Lei da Termodinâmica, o que ocorre no

motor de um automóvel para que o gás aquecido dentro de um cilindro sob

pressão venha a colocar o carro em movimento. Discutir também como deve ser o

desempenho de um motor que solta faísca “fora de tempo”.

A maioria dos carros utiliza o sistema que é conhecido como ciclo de combustão

de quatro tempos, em homenagem a Nikolaus Otto também é chamado de ciclo de Otto.

O sistema quatro tempos é definido por 1º Admissão, 2º Compressão, 3º Explosão e

Expansão 4º Escapamento.

1º - Admissão: O pistão desce enquanto aspira uma mistura gasosa de ar e combustível

que pode ser gasolina, gás ou álcool, que entra no cilindro através da válvula de

admissão (os motores a diesel admitem apenas ar). Durante esse tempo a válvula de

escape permanece fechada para que a mistura não saia. A pressão máxima atingida é

menor que 1 atmosfera, mantendo-se constante (processo isobárico) e a temperatura fica

entre 340 e 400K.

2º - Compressão: A válvula de admissão se fecha enquanto o pistão se move para cima,

devido a inércia do virabrequim, comprimindo a mistura gasosa. Nesse tempo, além do

aumento de pressão que fica entre 8 e 15 atm., há um aumento de temperatura que fica

entre 600 e 750K, porém é um processo adiabático, pois não há transferência de calor

nem para fora nem para dentro da mistura.

3º - Explosão e Expansão: Quando ocorre a máxima compressão uma centelha elétrica

na vela de ignição provoca uma explosão que causa um aumento de temperatura, de

2300 a 2700K, nos gases resultantes e um aumento de pressão que fica entre 30 e 50

atm, no interior do cilindro, resultando na expansão da mistura gasosa. Também é um

processo adiabático.

4º - Escapamento: No final da expansão a temperatura fica na faixa de 900 a 1100 K e a

pressão fica na faixa de 4 a 6 atm. Abre-se então a válvula de escape e praticamente sem

variar o volume, o gás que se encontra no interior do cilindro escapa para a atmosfera,

reduzindo-se a pressão a 1 atm. A seguir, ainda com a válvula aberta, o pistão sobe,

retomando o volume mínimo, expulsando quase todo o gás restante para a atmosfera.

Assim se completou o ciclo, pois o volume e a pressão no interior do cilindro voltaram

aos seus valores no início. Então, a válvula de admissão novamente se abre, reiniciando-

se um novo ciclo.

Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a

faísca é solta: o pistão deve estar em fase de compressão e próximo à posição de menor

volume do cilindro, pois, nessa situação, o aproveitamento da energia liberada na

explosão, para a realização de trabalho, é máximo. Nesse caso, diz-se que o motor está

“no ponto”.

Num motor adiantado, a faísca provoca a explosão da mistura de ar e

combustível antes do “ponto”. Desse modo, o movimento de subida do pistão é

parcialmente freado, resultando numa perda de potência. Num “motor atrasado”, a

faísca provoca a explosão após o ponto de maior compressão. Nesse caso, parte do calor

que seria utilizado para realizar trabalho é “perdida”, uma vez que na descida do pistão

já ocorre o escape dos gases produzidos na combustão, o que resulta também numa

perda de potência.

Passo 3

Entrevistar um mecânico de automóveis para identificar os processos

térmicos presentes no funcionamento do motor a combustão interna, a partir das

sugestões de questionamentos apresentadas na bibliografia complementar indicada

neste passo:

1. Quais são as partes essenciais de um motor?

As partes essenciais de um motor são o Carter o Bloco e o Cabeçote.

O Carter é reservatório do óleo do motor, onde o pescador da bomba fica para pegar o

óleo. No bloco vão, arvore de manivela, pistão, bomba de óleo, filtro de óleo, bomba de

combustível, rotor. No Rotor o distribuidor, bomba d‘água. No Cabeçote vão as

válvulas de admissão e escape.

2. Qual a diferença entre motor de “4 tempos” e de “2 tempos”?

A cada percurso de descida do êmbolo de um motor de 2 tempos há uma

combustão, ou seja, o pistão sempre desce sob a ação de uma forte força de expansão,

gerando um grande torque, porém uma baixa velocidade de rotação do eixo de

manivelas. Enquanto que no motor de 4 tempos o êmbolo desce uma vez sob ação da

combustão e outra por simples inércia do movimento, isso resulta em um torque mais

baixo, porém com uma rotação mais alta. As grandes desvantagens dos motores de 2

tempos convencionais são o seu alto índice de emissão de gases poluentes e o alto

desgaste de suas partes móveis, devido ao precário sistema de lubrificação.

3. O que é “taxa de compressão”?

É a proporção que indica quanto foi comprimido a mistura de ar-combustível

durante a fase de compressão do motor.

4. Quais as diferenças existentes entre os motores que funcionam a álcool, a

gasolina e a diesel?

Entre o álcool e a gasolina, a diferença é pequena: Ambos trabalham no ciclo

Otto e as diferenças básicas são a taxa de compressão e a quantidade de combustível

injetada. A explosão e provocada por faísca da vela. Tem carburadores ou injeção

eletrônica para injetar combustível. (O álcool é mais barato, mas consome mais que a

gasolina, que é mais cara). Já o motor Diesel, trabalha sob o ciclo diesel. Geralmente

não tem velas e a explosão é por compressão, por isso necessitam de taxas de

compressão bem mais altas, e por isso costumam ser bem maiores e mais pesados. Tem

bicos injetores para injetar combustíveis. (mais barato que a gasolina e consome menos)

5. Qual o caminho feito pelo combustível?

Do tanque de combustível sendo sugado pela bomba até a flauta onde estão os

bicos injetores que pulsam pulverizando combustível junto ao ar que vai para dentro das

câmaras de combustão ,onde esta mistura é comprimida e inflamada e queimada

liberando energia e consequentemente força mecânica através a expansão do ar que

empurra os pistões para baixo movimentando uma manivela que gira, depois que é

queimada e o pistão foi todo para baixo e posteriormente pela força da inercia a

manivela empurra novamente o pistão para cima , expulsando os gases provenientes

desta queima pelo escape.

6. Quais as diferenças existentes entre refrigeração a ar e a água?

Refrigeração a Ar, uma grande ventoinha, acionada pela rotação do motor,

mantém o ar em circulação através das aletas. As motos e também alguns automóveis

não possuem ventoinha, os motores são externos e dispõem de aletas que aumentam a

superfície de troca de calor. Refrigeração a Água, o bloco é permeado por canais. A

água retirada da parte inferior do radiador, é bombeada para dentro do bloco, onde

circula ao redor de cilindros e através da junta do cabeçote, passando ao lado das

câmaras de combustão. Esse sistema possui uma válvula termostática, que se mantem

fechada enquanto o motor esta frio e que se abre quando a água atinge uma

determinada temperatura, deixando-a a fluir através uma mangueira que a leva de volta

à parte superior do radiador.

7. Qual a função do carburador de um carro?

Tem a função de controlar a quantidade de combustível, mistura-lo com o ar e

introduzir a mistura na câmara de combustão dos motores.

8. Qual a função do motor de arranque?

Dar um impulso que vence a inércia do motor dando inicio ao ciclo.

Passo 4

Pesquisar os tipos de turbo-compressores disponíveis para motores

automotivos e verificar as características operacionais, analisar os valores

fornecidos para a potência consumida no compressor e a vazão de ar fornecida ao

motor. Estimar, também, a eficiência isentrópica dos componentes do

equipamento.

Turbo-compressor é um equipamento adicionado aos motores de combustão

interna que aproveita os gases de escape para injetar ar nos cilindros (câmara de

combustão). Um turbo-compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só

eixo, que giram de um lado como turbina e do outro como compressor. O Turbo-

compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que funcionam como

turbina e compressor.

O turbo-compressor fica ligado ao coletor de escape de um motor a explosão (ou

motor a combustão interna), e aproveita a energia dos gases de escape gerados no motor

para girar uma turbina conectada por meio de um eixo comum a um rotor o qual tem a

função de bombear ar para os cilindros. Esse rotor é um compressor centrífugo,

responsável por capturar o ar atmosférico e comprimi-lo na entrada da admissão ou do

coletor de admissão do motor através de mangueiras ou tubulações de alta pressão.

O turbo-compressor pode ser: de fluxo axial, radial e de gás de escape.

Turbo-compressores de fluxo axial são definidos pela maneira na qual o combustível

flui através da turbina. Com turbo-compressores de fluxo axial do fluxo de combustível

vem através da roda em uma direção axial. Com este tipo de dispositivo de

sobrealimentação, expansão do gás de escape cria uma saída o ajuda a turbina para girar

o compressor. Como o tamanho do veículo é importante na determinação do turbo-

compressor correto do veículo, é importante considerar que os turbo-compressores de

fluxo axial são mais comumente usados com veículos com um diâmetro de roda de 300

mm e acima e não seria adequados para veículos menores.

Turbo-compressor de fluxo radial. Com uma vazão de gás que usa os mesmos

princípios como o Turbo de fluxo axial, o Turbo de fluxo radial é diferenciado pela

estrutura de influxo de gás exclusivo. O influxo de gás centrípeto é dirigido de fora em

uma direção radial e define este Turbo para além do modelo de fluxo axial. Geralmente

utilizada em veículos com uma rodas de diâmetro inferior ou igual a 160 mm, este tipo

de dispositivo de sobrealimentação pode aumentar o poder de um veículo de até n/a

cavalos de potência.

Turbo-compressor de gás de escape. Os benefícios de turbo-compressores são

muitos, de aumento de velocidade, potência e funcionalidade de motor, mas há

benefícios ambientais, também, como o consumo de gás diminuiu. Turbo-compressores

de gás de escape têm outra vantagem. Com carregadores de turbo de gás de escape, os

gases de escape do veículo é reciclado no compressor para fornecer energia para a

turbina. Para fazer isso, um compressor é montado ao lado da turbina do mesmo eixo. A

turbina desenha nos gases de escape, que caso contrário iria para a atmosfera, comprime

e ele alimenta o motor para fornecer energia extra. Ao contrário de turbo-compressores

mecanicamente avançados, nenhum mecânico de engate ocorre no motor.

Eficiência Isentrópica está relacionada ao processo de compressão adiabático e

reversível. A equação ilustra a eficiência de cada estágio de compressão:

Onde h0 é a entalpia e T0 é a temperatura de estagnação. Os índices 1 e 3

referem-se aos parâmetros de entrada do rotor e saída do estator, respectivamente, figura

abaixo, e o índice s refere-se ao processo isentrópico.

A eficiência real do estágio é menor que a eficiência isentrópica visto que o

aumento da temperatura real em um estágio é maior que o aumento de temperatura que

o estágio teria em um processo ideal.

ETAPA 4

Aula-tema: Primeira Lei da Termodinâmica Passo 1

Representar o diagrama p – v idealizado para o Ciclo de Otto num motor a

gasolina de 4 tempos e explicar o que ocorre em cada um dos processos nesse ciclo.

A velocidade do avanço da mistura do ar com o combustível é praticamente igual

à velocidade do pistão, em consequência ocorre o processo isobárico (A→B), em que o

volume aumenta e a pressão permanece praticamente constante.

1° Tempo - Abertura da válvula de admissão

2° Tempo – Compressão da mistura

Neste tempo o trabalho do pistão sobre a mistura dos fluidos é completamente

transformado em energia interna, onde há pressão e temperatura elevadas. Esta condição

produz uma compressão adiabática, pois o processo é muito rápido e não há trocas de

calor. O volume diminui a medida que a pressão e a temperatura aumentam (B→C).

3° Tempo – Explosão da mistura

Nesta etapa ocorre uma descompressão considerada isométrica (E→B), pois uma

variação da pressão e da massa da mistura não permite tempo para uma mudança no curso

do pistão.

No trecho (B→A) a massa do gás no interior do cilindro diminui na mesma

proporção que o volume não ocorrendo uma variação da pressão (processo isobárico).

4° Tempo – Escape dos gases

Neste trecho ocorre uma explosão e consequentemente o aumento da temperatura e

pressão (C→D), mas não uma variação de volume(movimento do pistão), já que a reação

química é muito rápida. Na outra parte da explosão (D→E) ocorre uma expansão adiabática

devido ao pistão ser empurrado rapidamente com a força da explosão não dando tempo a

trocas de calor. Este impulso concebido pela explosão no embolo do pistão é a força

aproveitada para gerar o torque no virabrequim.

A seguir o gráfico representa o Ciclo de Otto Ideal da combustão completa da

mistura ar/combustível.

(A→B) Ocorre uma expansão isobárica, em que o tamanho do volume da

mistura acompanha o deslocamento do pistão.

(B→C) Haverá uma compressão adiabática da mistura, ou seja, a medida que o

volume diminui e consequentemente a pressão e a temperatura aumentam. Este processo

é muito rápido não permitindo trocas de calor.

(C→D) Neste processo observamos um grande aumento da pressão e da

temperatura, mas o volume permanece constante considerando o processo

isovolumétrico devido a reação química do ar/combustível ser muito rápida.

(D→E) Ocorre a explosão fazendo com que o cilindro seja impulsionado

diminuindo a pressão devido ao aumento do volume, portanto consideramos uma

expansão adiabática.

(E→B) A massa da mistura e uma variação da pressão não deixa ocorrer uma

variação do volume no interior do cilindro, por tanto consideramos um processo

isométrico.

(B→A) A quantidade de gás da mistura é comprimida e eliminada do interior do

cilindro na mesma proporção da velocidade do cilindro por isso o processo é

considerado isobárico.

Passo 2

Mostrar que o rendimento do ciclo para uma mistura de ar com vapor de

gasolina (tratada como gás ideal) é dado por: h = 1

.

Através da seguinte equação verifica-se que quanto maior a taxa de

compressão, melhor será o rendimento termodinâmico do motor. Isso é também

explicado pela reação exotérmica da combustão; assim, quanto maior for a pressão

e a temperatura da reação, mais rápida será a reação, aumentando a potência do

motor.

h = 1

(h) Eficiência térmica (Ciclo Otto)

(k) Coeficiente adiabática da mistura

Taxa de compressão

Passo 3

Calcular o rendimento para k = 1,4 e = 10, que são condições para

compressão máxima permissível para evitar pré-ignição.

h = 1

h =

h =

h =

h =

h =

Passo 4

1. Elaborar um relatório intitulado Aplicação da termodinâmica no estudo de

um motor de automóvel.

2. Entregá-lo ao professor em data por ele agendada

Aplicação da termodinâmica no estudo de um motor

de um automóvel

O estudo da termodinâmica foi se aprofundando e se

autodesenvolvendo as suas necessidades de aplicações do estudo dos

sistemas que pode nos fazer compreender melhor o princípio do

funcionamento das máquinas térmicas, criadas em XVIII.

A termodinâmica foi algo que simplesmente revolucionou a indústria,

pois durante anos só havia forças externas que possibilitariam realizar

trabalho, até que o homem passou a utilizar um processo de transformação

de energia térmica em trabalho, função de máquinas térmicas assim como as

máquinas a vapor e os motores de combustão interna que tornaram possível

maior e mais eficientes produtividades, mas com a invenção das máquinas

térmicas o homem tornou-se dependente do combustível, fonte necessária

para esta transformação.

Podemos observar também os sistemas de arrefecimento de um

veículo ou máquina onde um óleo escoando nas secções transversais do

bloco e do cabeçote do motor e outras partes do automóvel em que

superaquecem, tem a função de extrair calor e baseando-se nas leis da

Termodinâmica, analisar e manter sua temperatura a níveis seguros de

funcionamento.

Já podemos imaginar e criar uma ideia de como foi se desenvolvendo

este estudo e tornando cada vez mais fácil a vida das pessoas. Podemos

conciliar a termodinâmica facilmente a aplicação do estudo ao processo de

combustão de um automóvel, pois há uma grande liberação de calor e

energia, energia térmica que é aproveitada para realizar o trabalho

mecânico.

BIBLIOGRAFIA

Sites:

SENSOR DE TEMPERATURA. Disponível em:

<https://docs.google.com/file/d/0B2Dg6M68CsXMXzBRdTFoaW9KNzA/edit?usp=

sharing>. Acesso em: 5 maio 2013.

ATICONGELANTES: Líquidos de arrefecimento e aditivos. Disponível em:

<https://docs.google.com/file/d/0B7hs5suTq5Pdd1FjTVZBcmhQZG8/edit?usp=sha

ring>. Acesso em: 5 maio 2013.

ENTROPIA. Disponível em:

<https://docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwVFg2dGIwSGFZOFE/edit>.Acesso

em: 5 maio 2013.

SEGUNDA LEI DA TERMODINAMICA. Disponível em:

<https://docs.google.com/file/d/0B7hs5suTq5PdbjJEYmtQSG9icDg/edit?usp=sharing>.

Acesso em: 8 maio 2013.

AVALIAÇÃO DE PROJETOS DE MAQUINAS PELO ENFOQUE DA: O Caso do

Sistema de Turbo-compressores. 2008. Disponível em:

<https://docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwSi1BYUE4Z2ljUlk/edit>. Acesso

em: 5 maio 2013.