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Atps TermodinamicaPor: • 19/9/2014 • 2.256 Palavras (10 Páginas) • 111 Visualizações

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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 tratade 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 éimportante para que o aluno adquira uma sólida base conceitual dos processos termodinâmicos,capacitandoo a aplicar a teoria estudada em sala de aula para o desenvolvimento de qualqueroutro projeto relacionado ao mesmo assunto.

Etapa 1

(passo 1)

Pesquisar em livros da área a definição da palavra termodinâmica, inclusive a origemetimológica, e também o que é um sistema termodinâmico. Pesquisar, ainda, os principaiscientistas que contribuíram para o desenvolvimento da Termodinâmica Clássica.

A Termodinâmica é a parte da Física que estuda principalmente a transformação de energiatérmica em trabalho. A utilização direta desses princípios em motores de combustão interna ouexterna faz dela uma importante teoria para os motores de carros, caminhões e tratores, nasturbinas com aplicação em aviões, etc.

A palavra termodinâmica teve origem na junção de dois vocábulos gregos, therme (calor) edynamis (força), que têm a ver com as primeiras tentativas para transformar calor em trabalho eque constituíram o objetivo primordial desta ciência. Sistema termodinâmico consiste em umaquantidade de matéria ou região Para a qual nossa atenção está voltada.

Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que desejamos calcular. Tudoque se situa fora do sistema Termodinâmico é chamado MEIO ou VIZINHANÇA.

Principais cientistas:

James Watt(17361819)Revolução industrial;

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

Sadi Carnot(17961832)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(18181889)

(Passo 2)

Pesquisar como funciona o sistema de refrigeração de um motor, qual é o tipo de substânciautilizada como líquido de arrefecimento e quais as suas propriedades.

O sistema de arrefecimento é o sistema que controla a temperatura do motor de umautomóvel. Quando o sistema de arrefecimento trabalha na temperatura ideal o motor tem maiordurabilidade, menor desgaste, maior economia de combustível, menos manutenção, emite menospoluentes e aumenta seu desempenho.

www.wecareauto.com.br

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Líquido de arrefecimento

O líquido de arrefecimento, diferentemente do que a maioria pensa, não é composta apenasde água e sim de uma mistura de água desmineralizada com aditivo. As principais funções dosaditivos são:

* Inibir a corrosão das peças;

* Prolongar a vida útil dos componentes do sistema;

* Evitar que a água “ferva” em altas temperaturas ou congele em baixas temperaturas

* Líquido de arrefecimento: Composto de uma mistura de água destilada com aditivosantioxidantes (previne a corrosão dos elementos metálicos do sistema), anticongelantes (previnea formação de cristais de gelo quando o liquido atinge aproximadamente 0ºc, e consequenteaumento interno de pressão), e em alguns casos mais específicos algicidas (previne odesenvolvimento de algas) ou antibacterianos. Sua função é efetuar a troca de calor, ele ganhacalor quando passa pelo motor a explosão e perde calor ao passar no radiador.

* Bomba: Bombeia o líquido de arrefecimento fazendo circular no sistema, geralmente é acionadapela correia junto com o alternador.

* Radiador: Quando o líquido de arrefecimento passar por ele perde calor, baixando a suatemperatura e consequentemente a do motor.

O fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etilenoglicol (C2H6O2),também conhecido como aditivo de radiador ou anticongelante. Adicionandose etilenoglicol àágua, 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

100º C

106º C

113º C

Comparar a quantidade de água e de ar necessárias para proporcionar a mesma refrigeração a ummotor de automóvel.

Q= m.c.∆T

m.cágua.∆T = m.car∆T

mágua = cágua

mar car

cágua = 4.186 J\Kg.K = 4.186

J\Kg.K

car 1.000 J\Kg.K

São necessário 4.186 J\Kg.K de ar para proporcionar a mesma refrigeração da água.

(Passo 3)

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1)Pesquisar qual a faixa de temperatura em que geralmente o líquido de arrefecimentoopera, 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, 2etanodiol), álcool defórmula HOCH2CH2OH. A sua temperatura de congelamento é de 12,9oc, e a de ebulição são de197,3º. A adição de 50% de etileno glicol à água de arrefecimento faz com que a temperatura decongelamento seja inferior a 33C, e a de ebulição, superior a 160ºc. O etileno glicol, comumenteconhecido como glicol, é um líquido incolor, inodoro, com Sabor agridoce e pouco volátil emtemperatura ambiente. É produzido industrialmente a partir do etileno. Quando adicionado à águaeleva o ponto de ebulição da mistura ao mesmo tempo em que reduz o ponto de congelamento, porisso é utilizado como anticoagulante em diversas aplicações, como aditivo para água em radiadoresde veículos.

Para medir a temperatura e utilizado um Sensor temperatura líquido de arrefecimento queInforma à central a temperatura do líquido de arrefecimento, o que é muito importante, poisidentifica a temperatura do motor. Nos momentos mais frios o motor necessita de maiscombustível.

2) Justificar a importância desse tipo de medição em relação à combustão do combustível.

Fazendo a regulagem da temperatura do fluido, o motor trabalha na sua temperatura normale aumenta o rendimento do motor e consequentemente reduz o consumo de combustível.

3) Converter a temperatura máxima e mínima encontradas e a diferença entre elas em outrasduas escalas termométricas, a Kelvin e Fahrenheit.

12ºc para congelamento e 197,3ºc para ebulição

Kelvin

Congelamento: 285.15ºk

Ebulição: 470,45ºk

K = °C + 273,15

Fahrenheit

Congelamento: 53,6ºf

Ebulição: 387,14ºf

°F = °C × 1,8 + 32

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

O único que usa Fahrenheit é os EUA. O Celsius é uma escala universal. E o Kelvin é usadoem laboratório por cientistas em seus cálculos, para medir temperaturas pequenas ou altas.

(Passo4)

Comparar o coeficiente de dilatação térmica da gasolina e do álcool e verificar em que horárioé mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis, baseado em propriedades físicas comodensidade e temperatura.

Usando como exemplo a gasolina, que possui um coeficiente de dilatação alto se comparado aoutras substâncias (γ = 1,2 x 103 °C1), onde você paga pelo volume abastecido e não pela massade combustível, é mais vantajoso abastecer em um horário em que essa massa de gasolina ocupa omenor volume possível. Mas quando isso acontece?

A gasolina quanto mais fria, maior sua densidade (relação entre massa e volume), então, émelhor abastecer nessa situação. Como o processo de absorção de calor não é algo instantâneo, ocombustível estará mais frio no início da manhã, pois passou a noite toda perdendo calor,enquanto no fim da noite, estará mais quente. O melhor horário para abastecer o seu veículo,então, é no início da manhã, pois o combustível no tanque do posto estará mais frio. Comoexemplo, um carro abastecido com 50 litros de gasolina a 20 °C, estacionado no sol durante todo odia, no fim do dia a uma temperatura de 35 °C, terá o volume de gasolina aumentado em 0,9 litros.

Etapa 2

(Passo 1)

Pesquisar em livros da área a Primeira Lei da Termodinâmica, descrevendo a equação matemáticaque representa essa lei.

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à

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termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer umatransformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica: Um sistemanão pode criar ou consumir energia, mas apenas armazenála ou transferila ao meio onde seencontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber umaquantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistemaΔU, ou seja, expressando matematicamente:

Equação da 1º lei da termodinâmica:

Q=t+ ΔU

(Passo 2)

Pesquisar, em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, os modos de transferênciade calor que ocorrem nos motores automotivos, as equações envolvidas e o significado de cadatermo, e como esses modos afetam o desempenho do carro.

Condução

_ Modo de transferência em sólidos e líquidos em repouso

_ A intensidade é função do material e do gradiente de temperatura

_ É o modo 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

_ Modo de transferência entre fluidos e uma superfície sólida;

_ A intensidade é função do fluido, do movimento relativo da diferença de temperaturas;

_ No motor a convecção é forçada, em regime turbulento, pois existe bombeamento dos fluidos;

_ Depende de relações empíricas específicas para cada tipo de escoamento e geometria;

_ É o modo de transferência de calor entre os gases e líquidos e as paredes dos componentes domotor,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

_ Modo de transferência entre corpos quentes e frios por meio de emissão e absorção de ondaseletromagnéticas;

_ A intensidade é função da diferença de temperaturas;

_ Depende de parâmetros de forma, absorção e emissividade específicos para cada tipo material egeometria;

_ É um modo secundário de transferência de calor entre os gases quentes durante a queima e asparedes do cilindro;

_ É mais significativo em motores de ignição por compressão (ciclo Diesel) devido a presençade fuligem durante uma fase da queima do combustível no cilindro;

_ Existe radiação térmica proveniente do coletor de escape, onde:

Α= constante de StefanBoltzmann = 5,67x108 W/m2/K4

€ = emissividade

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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.

Resposta:

A transferência de calor afeta o desempenho, a eficiência e as emissões dos motores através dosseguintes parâmetros:

_ Temperatura e pressão dos gases de combustão (afeta potência útil);

_ Consumo específico de combustível;

_ Detonação (troca de calor para os gases não queimados) que limita a taxa de compressão;

_ Aquecimento da válvula de exaustão (afeta a eficiência volumétrica de admissão);

_ Emissões de CO e HC queimados na exaustão;

_ Temperatura dos gases de exaustão (EGT) que controla turbos compressores e recuperadores;

_ Aquecimento do óleo (maior atrito);

_ Expansão térmica dos componentes (pistão, anéis, cilindro, cabeçote, 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)

_ Ligas de alumínio 300 ºc (573 K)

_ Lubrificante 180 ºc (453 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 odesperdício na forma de calor no motor de um automóvel, e quais as novas tecnologias baseadasem materiais termoelétricos.

Calor desperdiçado

Todos os equipamentos de computadores e motores elétricos até os motores a combustãodos automóveis usam apenas uma parcela pequena da energia que consomem.

Estimase que nada menos do que 50% da energia produzida pelos carros, fábricas e centraiselétricas percase na forma de calor nos motores a combustão dos carros, o desperdício podechegar facilmente aos 80%.

Os engenheiros da Universidade Estadual do Oregon, nos Estados Unidos, estão usando umanova abordagem para capturar e usar o calor desperdiçado nos escapamentos dos carros ecaminhões, dos geradores a diesel, das usinas termoelétricas e de uma infinidade de outras fontes.

Reaproveitamento do calor

O objetivo do equipamento é usar esse calor para gerar energia elétrica ou, por estranho quepossa parecer para o resfriamento, seja em geladeiras ou em aparelhos de arcondicionado.

"Isto pode se tornar uma importante nova fonte de energia e um modo de melhorar aeficiência energética," diz Hailei Wang, um dos pesquisadores do projeto. "O protótipo mostra queestes sistemas funcionam tão bem quanto esperávamos que funcionassem."

Refrigeração acionada por calor

O aparelho utiliza um princípio chamado "sistema de refrigeração ativada termicamente"

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O aparelho combina um ciclo de compressão de vapor com um "ciclo Rankine orgânico" ambas as tecnologias de conversão de energia bem conhecidas.

Grande parte de sua eficiência vem do uso de micro canais extraordinariamente pequenos, queaperfeiçoam a troca de calor.

O novo aparelho conseguiu transformar 80 por cento de cada quilowatthora de calordesperdiçado em um quilowatt de capacidade de resfriamento.

Isto significa, por exemplo, que o arcondicionado de um carro poderá ser alimentado pelo calordo cano de escapamento.

O sistema também poderá ser incorporado às tecnologias de energias alternativas como aenergia solar fotovoltaica, a energia termo solar ou a geotérmica, além dos geradores tradicionais,que funcionam com diesel ou gás natural.

Trocando calor por frio

"Esta tecnologia será especialmente útil se houver uma necessidade de sistemas derefrigeração onde o calor está sendo desperdiçado", disse Wang, o que ocorre principalmente nasindústrias.

O uso em automóveis irá exigir novos desenvolvimentos, sobretudo em miniaturização e reduçãode peso do equipamento.

Os pesquisadores alertam que a eficiência de conversão não será tão alta quando a meta forproduzir eletricidade, ficando entre 15 e 20 por cento ainda assim, muito melhor do quesimplesmente desperdiçar o potencial energético do calor lançado na atmosfera.

Outra abordagem usada para o reaproveitamento de calor envolve o uso de materiaistermoelétricos.

(PASSO 4)

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 quese transfere ao ambiente, se admitir o percurso que um dos integrantes do grupo faz para ir dacasa até a faculdade, para cada um desses automóveis, numa velocidade razoável.

...

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