atps_termodinÂmica_etapas_1_e_2

7/14/2019 ATPS_TERMODINMICA_ETAPAS_1_e_2

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ATPS DE TERMODINMICA

Introduo:

A termodinmica o ramo da fsica que estuda as relaes entre o calor trocado,representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra , num

determinado processo fsico que envolve a presena de um corpo e/ou sistema e o meioexterior. atravs das variaes de temperatura, presso e volume, que a fsica buscacompreender o comportamento e as transformaes que ocorrem na natureza.

ETAPA 1Passo 1(equipe)

1-Pesquisar como funciona o sistema de refrigerao de um motor de combusto

interna, qual o tipo de substncia utilizada como lquido de arrefecimento e quais assuas propriedades.

H dois tipos de sistemas de arrefecimento encontrados em carros: arrefecimento alquido e arrefecimento a ar.Arrefecimento a lquido;O sistema de arrefecimento a lquido faz circular um fluido por mangueiras e partes domotor. Ao passar pelo motor quente o lquido absorve calor, resfriando o motor. Depoisque o fluido deixa o motor ele passa por um trocador de calor, ou radiador, que transfereo calor do fluido para o ar que passa pelo radiador.

Arrefecimento a ar;Alguns carros mais antigos (o Fusca e seus derivados, por exemplo) e uns poucoscontemporneos usam motores refrigerados a ar. Em vez de haver um lquidocirculando pelo motor, o bloco e o cabeote so dotados de aletas que aumentam a reade absoro de calor e de contato com o ar, conduzindo o calor para longe do motor.Uma potente ventoinha fora o ar sobre essas aletas, que resfriam o motor ao acelerar atransferncia de calor para o ar. Quando o motor exposto ao fluxo de ar, como nasmotocicletas, a ventoinha pode ser dispensada.A gua um dos fluidos mais eficazes na conservao de calor, mas ela congela numa

temperatura muito alta para ser usada em motores de automveis. O fluido que amaioria dos carros usa uma mistura de gua e etileno-glicol (C2H6O2), tambmconhecido como aditivo de radiador ou anticongelante. Adicionando-se etileno-glicol gua, os pontos de ebulio e de congelamento melhoram significativamente.

gua pura50/50C2H6O2/gua70/30

C2H6O2/gua


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Ponto de congelamento-0 C-37 C-55 CPonto de ebulio100 C106 C113 C

Passo 2(Equipe)

1- Comparar a quantidade de gua e de ar necessrias para proporcionar a mesmarefrigerao a um motor de automvel.Resposta:Q= m.c.Tm.cgua.T = m.carTm.gua = c.guam.ar C.ar

c.gua = 4.186 J\Kg.K = 4.186 J\Kg.Kc.ar = 1.000J\Kg.K

Logo,

So necessrios 4.186 J\Kg. Kde ar para proporcionar a mesma refrigerao da gua.

Passo 3(Equipe)

1- Pesquisar qual a faixa de temperatura em que geralmente o lquido de arrefecimentoopera, e o tipo de termmetro utilizado para fazer essa medio da temperatura do

motor do carro.Resposta:O principal soluto nos lquidos de arrefecimento o etileno glicol, (1, 2etanodiol), lcool de frmula HO-CH2CH2-OH. A sua temperatura de congelamento de -12,9oC, e a de ebulio de 197,3.A adio de 50% de etileno glicol gua dearrefecimento faz com que a temperatura de congelamento seja inferior a -33C, e a deebulio, superior a 160C.Para medir a temperatura e utilizado um Sensor temperatura lquido de arrefecimentoque Informa central a temperatura do lquido de arrefecimento, o que muitoimportante, pois identifica a temperatura do motor. Nos momentos mais frios o motor

necessita de mais combustvel.


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2- Justificar a importncia desse tipo de medio em relao combusto docombustvel.Resposta:Fazendo a regulagem da temperatura do fluido, o motor trabalha na sua temperaturanormal e aumenta o rendimento do motor e consequentemente reduz o consumo decombustvel.

3- Converter a temperatura mxima e mnima encontradas e a diferena entre elas emoutras duas escalas termomtricas, a Kelvin e Fahrenheit.

-12C para congelamento e 197,3C para ebulio

KelvinCongelamento: -285.15K

Ebulio: 470,45KK = C + 273,15FahrenheitCongelamento: -53,6FEbulio: 387,14FF = C 1,8 + 32

4- Comentrio sobre a utilizao dessas escalas em outros pases:A escala Celsius usada em quase todo o mundo cotidianamente, apesar de ter sido

chamada de centigrama at o final de 1980 e incio de 1990, principalmente emprevises do tempo em redes de rdio e televiso europeias como a BBC, a ITV, eRT.A escala Fahrenheitfoi utilizada principalmente pelos pases que foram colonizados

pelos britnicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos pases de lngua inglesa,como os Estados UnidosO kelvin (smbolo: K) o nome da unidade de base do Sistema Internacional deUnidades (SI) para a grandeza temperatura termodinmica. O kelvin a frao 1/273,16da temperatura termodinmica do ponto triplo da gua.

Passo 4(Equipe)Comparar o coeficiente de dilatao trmica da gasolina e do lcool e verificar em quehorrio mais vantajoso o abastecimento com esses combustveis, baseado em

propriedades fsicas como densidade e temperatura.


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Resposta:GasolinaMassa especfica = 0,66 Kh\dm3Coeficiente de dilatao = 9,6 x 10-4 (20 - 220C)Ponto de fuso C = -95,3Ponto de ebulio C = 68,74lcoolMassa especifica = 0,79 Kg\dm3Coeficiente de dilatao = 1100 x 10-6(060C)Ponto de fuso C = -114,1Ponto de ebulio C = 78,3Baseado nos dados acima a gasolina e mais vantajosa abastecer nos horrios em que atemperatura est mais fria, ou seja, pela manh, j o lcool e mais vantajoso em horrioscom temperatura mais elevada.

ETAPA 2Passo 1 (equipe)Pesquisar em livros da rea a Primeira Lei da Termodinmica, descrevendo a equaomatemtica que representa essa lei.

Resposta:A primeira lei da termodinmica nada mais que o princpio da conservao de energia

e, apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos emque a energia de um sistema trocado com o meio externo na forma de calor etrabalho.Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode serusada de duas maneiras:1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t),expandindo-se ou contraindo-se, ou tambm pode acontecer de o sistema no alterar seuvolume (t = 0);2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa

outra parte de energia igual variao de energia (U) do sistema. Se a variao deenergia for zero (U = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.U= Q tAssim temos enunciada a primeira lei da termodinmica: a variao de energia internaU de um sistema igual a diferena entre o calor Q trocado com o meio externo e otrabalho t por ele realizado durante uma transformao.Aplicando a lei de conservao da energia, temos seguinte equao:

Equao: (U= Q t Q = U + t)


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* Q Quantidade de calor trocado com o meio:

Q > 0 o sistema recebe calor;Q < 0 o sistema perde calor.

* U Variao da energia interna do gs:U> 0 a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;U< 0 a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

* t Energia que o gs troca com o meio sob a forma de trabalho:t > 0 o gs fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;t < 0 o gs recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

Passo 2 (equipe)1- Pesquisar, em livros da rea, revistas e jornais, ou sites da internet, os modos detransferncia de calor que ocorrem nos motores automotivos, as equaes envolvidas eo significado de cada termo, e como esses modos afetam o desempenho do carro.

Resposta:Conduo

_ Modo de transferncia em slidos e lquidos em repouso_ A intensidade funo do material e do gradiente de temperatura_ o modo de transferncia de calor no cabeote, paredes do cilindro, pisto, bloco e

coletores, onde:q= fluxo de calor (W/m2)k = condutibilidade trmica (W/m/K)A = rea transversal de transferncia (m2)

Conveco

_ Modo de transferncia entre fluidos e uma superfcie slida;_ A intensidade funo do fluido, do movimento relativo da diferena detemperaturas;

_ No motor a conveco forada, em regime turbulento, pois existe bombeamento dosfluidos;

_ Depende de relaes empricas especficas para cada tipo de escoamento e geometria;_ o modo de transferncia de calor entre os gases e lquidos e as paredes doscomponentes do motor, onde:

h = coeficiente de transferncia de calor por conveco (W/m2/K)Tw = temperatura da superfcie da parede slida (K)T= temperatura mdia do fluido (K)


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Radiao

_ Modo de transferncia entre corpos quentes e frios por meio de emisso e absoro deondas eletromagnticas;

_ A intensidade funo da diferena de temperaturas;_ Depende de parmetros de forma, absoro e emissividade especficos para cada tipomaterial e geometria;

_ um modo secundrio de transferncia de calor entre os gases quentes durante aqueima e as paredes do cilindro;

_ mais significativo em motores de ignio por compresso (ciclo Diesel) devido apresena de fuligem durante uma fase da queima do combustvel no cilindro;_ Existe radiao trmica proveniente do coletor de escape, onde:

= constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/m2/K4

= emissividadeFf = fator de formaTw = temperatura da superfcie da parede slida (K)Tg = temperatura mdia do fluido (K)

Passo 3 (equipe)1- Relacionar esses modos de transferncia s propriedades dos materiais que compemo motor.Resposta:

A transferncia de calor afeta o desempenho, a eficincia e as emisses dos motoresatravs dos seguintes parmetros:

_ Temperatura e presso dos gases de combusto(afeta potncia til);_ Consumo especfico de combustvel;_ Detonao (troca de calor para os gases no queimados) que limita a taxa decompresso;

_ Aquecimento da vlvula de exausto (afeta a eficincia volumtrica de admisso);_ Emisses de CO e HC queimados na exausto;_ Temperatura dos gases de exausto (EGT) que controla turbo compressores e

recuperadores;_ Aquecimento do leo (maior atrito);_ Expanso trmica dos componentes (pisto, anis, cilindro, cabeote, etc.);_ Carrega o sistema de resfriamento e seus acessrios;_ Temperatura mxima tpica do gs queimado: 2200 C (2500 K)

_ Temperatura mxima do material da parede do cilindro:_ Ferro fundido 400 C (673 K)_ Ligas de alumnio 300 C (573 K)_ Lubrificante 180 C (453 K)

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


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Passo 4 (equipe)Pesquisar, em livros da rea, revistas e jornais, ou sites da internet, como ocorre odesperdcio na forma de calor no motor de um automvel, e quais as novas tecnologias

baseadas em materiais termoeltricos.

Resposta:Uma descrio detalhada da distribuio da energia no motor a combusto interna apresentada por Heywood (1988), mostrando a transformao da energia qumicado combustvel nos diferentes processos de transferncia de calor e de realizao detrabalho.Pode-se apreciar que somente uma parte do total da energia da combusto transferidadiretamente ao eixo. Aproximadamente 75% da energia do combustvel so perdidos,sendo os restantes aproveitados na forma de trabalho (Bohacz, 2007).

Gerando energia a partir do calor.Agora cientistas das universidades do Oregon, Estados Unidos, e do Conselho dePesquisas da Austrlia, trabalhando conjuntamente, descobriram no apenas comorecuperar essa energia perdida pelos motores a combusto, mas tambm como retirarenergia das fontes geotrmicas, uma forma de gerao de energia limpa e renovveldisponvel em reas vulcnicas.Os cientistas criaram um novo tipo de material termoeltrico - ou materialtermogerador, capaz de converter calor em energia eltrica - utilizando nanofios. "[...]dispositivos termoeltricos nanoestruturados podero ser prticos para

aplicaes como a recuperao do calor perdido nos motores de automveis,resfriadores construdos diretamente dentro dos chips e refrigeradores domsticos maiscompactos e silenciosos," explica Heiner Linke, um dos pesquisadores.Ele e seu colega Tammy Humphrey descobriram que dois objetos podem ter diferentestemperaturas e ainda assim manterem o equilbrio mtuo em nanoescala. Esse umfenmeno crucial para que se possa atingir o desempenho necessrio para o uso prticodos materiais termoeltricos na gerao de energia eltrica e na refrigerao.

Materiais termoeltricosImagine uma xcara de caf sobre uma mesa: o caf ir esfriar gradualmente porque asmolculas na xcara transferiro automaticamente o calor do caf para a mesa, atatingir o equilbrio trmico. Esse fenmeno explicado pelas leis da termodinmica: ocalor ir sempre fluir do mais quente para o mais frio. O problema que a energia gasta

pelos eltrons para fazer essa transferncia simplesmente perdida.Os materiais termoeltricos tentam recuperar essa energia convertendo-a emeletricidade. Mas eles no funcionam muito se o fluxo de calor for descontrolado. Adescoberta feita por Humphrey e Linke envolve justamente o controle do movimentodos eltrons, utilizando materiais que so estruturados em nanoescala.Eles demonstraram que, se uma tenso eltrica for aplicada a um sistema eltrico que

tiver uma diferena de temperatura, possvel controlar eltrons que tenham umaenergia especfica. Isto significa que, se o material nanoestruturado for projetado para


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permitir apenas o fluxo desse tipo de eltron, atinge-se um novo tipo de equilbrio, noqual os eltrons no migram espontaneamente do quente para o frio.Como o sistema no ficar verdadeiramente em equilbrio, o fluxo de eltrons pode serrevertido, permitindo que um equipamento funcione na eficincia mxima possvel.Para os motores de carro, essa eficincia mxima teoria conhecida como limite deCarnot.Os pesquisadores acreditam que a tecnologia atual j possibilite que seus materiaisnanoestruturados criem equipamentos que atinjam 50% do limite de Carnot. Os maiseficientes materiais termoeltricos conhecidos hoje atingem apenas 15% desse limite.O trabalho foi apresentado neste ltimo dia 5 de Abril, na Conferncia de Dispositivosem Nanoescala e Integrao de Sistemas, realizada em Houston, nos Estados Unidos.

Bibliografiahttp://www.brasilescola.com/fisica/termodinamica.htm

http://www.infoescola.com/fisica/primeira-lei-da-termodinamica/Shah, R. Compact heat exchangers. In: The CRC handbook ofmechanical engineering. Kreith, F. et Goswami, D. Y. (ed.). BocaRaton: CRC Press, 2 ed., 2005Fundamentos de temperatura de calor e de massa. Inclopera/DeWitt/Bergman/Lavine,6 . edhttp://emtemposc.blogspot.com.br/2011/05/tabela-de-calor-especifico-da-agua-e-do.htmlhttp://www.fisica.net/ead/mod/glossary/showentry.php?courseid=1&eid=422&displayformat=dictionary

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