Atps termodinâmica

Etapa 1

Passo 1:

Motor Stirling é um motor de combustão externa, onde o mesmo funciona com um ciclo termodinâmico composto de quatro fases em dois tempos do pistão: compressão isotérmica (onde a temperatura é constante) e aquecimento isotérmico (onde o volume é constante), expansão isotérmica e resfriamento isotérmico, ou seja, a substância mais utilizada no motor Stilirg é o gás, que é utilizado como fluido de trabalho, que pode ser o ar, gás Helio ou Hidrogênio.

O motor Stirling como dito é um motor térmico que trabalha a partir da energia proveniente da expansão e contração de um gás e de acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as propriedades do gás: Temperatura (T), Pressão (P) e o Volume (V) com o número de moles (n): PV= nRT, onde R é a constante universal dos gases, ou melhor, todo o ciclo envolve transformações com a variação de uma destas três grandezas fundamentais, com pode ser relacionada de acordo com a equação.

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Passo 2:

O motor Stirling é também conhecido como motor multi-combustivel, porque o mesmo pode utilizar quase todas as fontes energéticas conhecidas por nos, ou melhor, dizendo, desde a gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia solar, ate calor geotérmico e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a câmara fria.

Passo 3:    

Nos líquidos de arrefecimento o principal soluto é o etileno glicol (1,2 etanodiol), álcool de formula HO-CH2-CH2-OH, onde sua temperatura de congelamento é de -12,9° Celsius e a de ebulição é de 197,3° Celsius. Com a adição de mais ou menos 50% de etileno glicol á temperatura da água de arrefecimento passa a ser inferior a -33° Celsius e de ebulição superior a 163° Celsius.

O termômetro utilizado para fazer a medição da temperatura do mesmo é o sensor de temperatura do liquido de arrefecimento, onde o sensor passa as informações da temperatura do liquido de arrefecimento a central, assim identificando a temperatura do motor, posteriormente manda um sinal a unidade de comando.

Passo 4:  

O ciclo Stirling ainda pouco conhecido e pouco utilizado tem a importante característica de não obrigar a qualquer alteração do estado do fluido do ciclo, ao contrario, os demais ciclos são obrigados e limitados a operar sobre gamas mais precisas de temperatura e os tais limites são estabelecidos pelo tipo de fluido utilizado, ocorrendo assim ótimo funcionamento a temperaturas muito próximas a evaporação do fluido, logo se conclui que o ciclo de Stirling é eficiente em proporcional igualdade a todas as temperaturas e sempre utiliza o mesmo fluido, não sendo necessariamente associativo, desde que seja gasoso com as temperaturas de de operação. Quando a temperatura de operação é muito baixa utiliza-se o gás Helio ou gás Hidrogênio, sendo assim, o mesmo pode ser usada em mínimas temperaturas e também para produzir gases liquefeitos a temperatura de quase zero absoluto, assim sendo este ciclo é o mais ideal para temperaturas muito baixas.

Etapa 2

Passo1:

Chamamos a primeira lei da termodinâmica como o principio da conservação de energia aplicada a termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazena-la ou transferi-la ao meio que se encontra como trabalho, então ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho τ e aumentar a energia interna do sistema ΔU , ou seja, matematicamente expressando temos:

                                   Q = τ+ΔU ou ΔU= Q-τ

*Q = A quantidade de calor trocado com o meio;

  Q > 0 = Sistema recebe calor;

  Q < 0 = Sistema perde calor;

*ΔU = Variação de energia interna do gás;

  ΔU > 0 = Energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;

  ΔU < 0 = Energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui;

*τ = Energia que o gas troca com o meio sob a forma de trabalho;

  τ > 0 = Gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

  τ < 0 = Gás recebe energia do meio , portanto, o volume diminui. 

 

Como já visto a cima, se o gás se expandir, o trabalho será positivo, ou caso o gás seja comprimido seu trabalho será negativo (neste caso, é o meio exterior que realiza trabalho positivo).

Melhor exemplificando:

V aumenta ⇒ ΔV > 0 ⇒ τ > 0

V diminui ⇒ ΔV < 0 ⇒ τ < 0

Para o calor vale a convenção:

Sistema recebe calor ⇒ Q > 0

Sistema perde calor ⇒ Q < 0

Passo 2:

O ciclo termodinâmico no motor Stirling possui uma eficiência igual a do ciclo de Carnot, porem, a transferência de calor no ciclo ideal deve ocorrer isotérmica e reversivelmente, ou melhor, definindo, em tempo infinito.

Melhor exemplificando temos:      

Condução:  

• A intensidade é função do material e do gradiente de temperatura;
•  Modo de transferência em sólidos e líquidos em repouso;
• É o modo de transferência de calor no cabeçote, paredes do cilindro, pistão, bloco e coletores, onde:

qcn = Q/A = - k∇T

qcnx = Qx/A = - k dT/dx

 

q = Fluxo de calor (W/m2)

A= área transversal de transferência (m2)  

K= condutibilidade térmica (W/m/K)

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:

qcv = Q/A = hg (₸g – Tw,g)

qcv = Q/A = hc (Tw,c – ₸c)

 

Tw = temperatura da superfície da parede solida (K)

h = coeficiência de transferência de calor por convecção (W/M2/K)    

₸ = temperatura media 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:

qR = Q/A = Ff  ε σ (T4g - T4w,g)

σ = Constante de Stefan - Boltzmann ( 5,67 x 10-8 W/m2/k4)