Atps Termodinamica

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

(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.

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

A palavra termodinâmica teve origem na junção de dois vocábulos gregos, therme (calor) e dynamis (força), que têm a ver com as primeiras tentativas para transformar calor em trabalho e que constituíram o objetivo primordial desta ciência. 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. Tudo que se situa fora do sistema Termodinâmico é chamado MEIO ou VIZINHANÇA.

Principais cientistas:

-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)

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.

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

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Líquido de arrefecimento

O líquido de arrefecimento, diferentemente do que a maioria pensa, não é composta apenas de água e sim de uma mistura de água desmineralizada com aditivo. As principais funções dos aditivos 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 aditivos antioxidantes (previne a corrosão dos elementos metálicos do sistema), anti-congelantes (previne a formação de cristais de gelo quando o liquido atinge aproximadamente 0ºc, e consequente aumento interno de pressão), e em alguns casos mais específicos algicidas (previne o desenvolvimento de algas) ou antibacterianos. Sua função é efetuar a troca de calor, ele ganha calor 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 acionada pela correia junto com o alternador.

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

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

100º C

106º C

113º C

Comparar a quantidade de água e de ar necessárias para proporcionar a mesma refrigeração a um motor 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)

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, 2etanodiol), álcool de fórmula HO-CH2CH2-OH. A sua temperatura de congelamento é de -12,9oc, e a de ebulição são 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. O etileno glicol, comumente conhecido como glicol, é um líquido incolor, inodoro, com Sabor agridoce e pouco volátil em temperatura ambiente. É produzido industrialmente a partir do etileno. Quando adicionado à água eleva o ponto de ebulição da mistura ao mesmo tempo em que reduz o ponto de congelamento, por isso é utilizado como anticoagulante em diversas aplicações, como aditivo para água em radiadores de veículos.

Para medir a temperatura e 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.

Fazendo 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-) Converter a temperatura máxima e mínima encontradas e a diferença entre elas em outras duas 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 usado em 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 horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis, baseado em propriedades físicas como densidade e temperatura.

Usando como exemplo a gasolina, que possui um coeficiente de dilatação alto se comparado a outras substâncias (γ = 1,2 x 10-3 °C-1), onde você paga 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. Mas quando isso acontece?

A gasolina quanto mais fria, maior sua densidade (relação entre massa e volume), então, é melhor abastecer nessa situação. Como o processo de absorção de calor não é algo instantâneo, o combustível 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. Como exemplo, um carro abastecido com 50 litros de gasolina a 20 °C, estacionado no sol durante todo o dia, 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 matemática que representa essa lei.

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica: Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistema ΔU, 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 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 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 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

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

Resposta:

A transferência de calor afeta o desempenho, a eficiência e as emissões dos motores através dos seguintes 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 o desperdício na forma de calor no motor de um automóvel, e quais as novas tecnologias baseadas em materiais termoelétricos.

Calor desperdiçado

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

Estima-se que nada menos do que 50% da energia produzida pelos carros, fábricas e centrais elétricas perca-se na forma de calor - nos motores a combustão dos carros, o desperdício pode chegar facilmente aos 80%.

Os engenheiros da Universidade Estadual do Oregon, nos Estados Unidos, estão usando uma nova abordagem para capturar e usar o calor desperdiçado nos escapamentos dos carros e caminhões, 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 que possa parecer para o resfriamento, seja em geladeiras ou em aparelhos de ar-condicionado.

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

Refrigeração acionada por calor

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

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, que aperfeiçoam a troca de calor.

O novo aparelho conseguiu transformar 80 por cento de cada quilowatt-hora de calor desperdiçado em um quilowatt de capacidade de resfriamento.

Isto significa, por exemplo, que o ar-condicionado de um carro poderá ser alimentado pelo calor do cano de escapamento.

O sistema também poderá ser incorporado às tecnologias de energias alternativas como a energia 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 de refrigeração onde o calor está sendo desperdiçado", disse Wang, o que ocorre principalmente nas indústrias.

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

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

Outra abordagem usada para o reaproveitamento de calor envolve o uso de materiais termoelétricos.

(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 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.