Atps De 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.

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.

Etapa 3

(Passo 1)

Pesquisar em livros da área os diversos enunciados para a Segunda Lei da Termodinâmica, incluindo as concepções sobre a definição de entropia.

Segunda lei da termodinâmica

A tendência do calor a passar de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca no sentido oposto, a menos que exteriormente comandado, é enunciada pela segunda lei da termodinâmica. Essa lei nega a existência do fenômeno espontâneo de transformação de energia térmica em energia cinética, que permitiria converter a energia do meio aquecido para a execução de um movimento (por exemplo, mover um barco com a energia resultante da conversão da água em gelo).

De acordo com essa lei da termodinâmica, num sistema fechado, a entropia nunca diminui. Isso significa que, se o sistema está inicialmente num estado de baixa entropia (organizado),tenderá espontaneamente a um estado de entropia máxima (desordem). Por exemplo, se dois blocos de metal a diferentes temperaturas são postos em contato térmico, a desigual distribuição de temperatura rapidamente dá lugar a um estado de temperatura uniforme à medida que a energia flui do bloco mais quente para o mais frio. Ao atingir esse estado, o sistema está em equilíbrio.

A entropia, que pode ser entendida como decorrente da desordem interna do sistema, é definida por meio de processos estatísticos relacionados com a probabilidade de as partículas terem determinadas características ao constituírem um sistema num dado estado. Assim, por exemplo, as moléculas e átomos que compõem 1kg de gelo, a 0o C e 1atm, apresentam características individuais distintas, mas do ponto de vista estatístico apresentam, no conjunto, características que definem a possibilidade da existência da pedra de gelo nesse estado.

A variação da função entropia pode ser determinada pela relação entre a quantidade de calor trocada e a temperatura absoluta do sistema. Assim, por exemplo, a fusão de 1kg de gelo, nas condições de 273K e 1atm, utiliza 80.000cal, o que representa um aumento de entropia do sistema, devido à fusão, em 293J/K.

A aplicação do segundo princípio a sistemas de extensões universais esbarra em dificuldades conceituais relativas à condição de seu isolamento. Entretanto, pode-se cogitar de regiões do universo tão grande quanto se queira, isoladas das restantes. Para elas (e para as regiões complementares) valeria a lei do crescimento da entropia. Pode-se então perguntar por que motivo o universo não atingiu ainda a situação de máxima entropia, ou se atingirá essa condição um dia.

A situação de máxima entropia corresponde à chamada morte térmica do universo: toda a matéria estaria distribuída na vastidão espacial, ocupando uniformemente os estados possíveis da energia. A temperatura seria constante em toda parte e nenhuma forma de organização, das mais elementares às superiores, seria possível.

Considere, por exemplo, um gás sofrendo uma expansão isotérmica AB. Nesta transformação a variação de energia interna é nula (ΔU = 0). O gás realiza um trabalho τ à custa da quantidade de calor Q recebida. De fato, pela Primeira Lei da Termodinâmica (Q = τ + ΔU), resulta Q = τ. Embora prevista pela Primeira Lei (que trata da conservação da energia), esta transformação integral de calor em trabalho jamais ocorrerá. As condições para que tal transformação aconteça são impostas pela Segunda Lei da Termodinâmica. Entre os vários enunciados da Segunda Lei vamos apresentar o proposto por Max Planc Lord Kelvin, que determina as condições de funcionamento das máquinas térmicas que são os dispositivos que efetuam a conversão de calor em trabalho: "É impossível construir uma máquina, operando em ciclos, tendo como único efeito retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho".

(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”.

Quase todos os carros atualmente usam o que é chamado de ciclo de combustão de 4 tempos para converter a gasolina em movimento. Ele também é conhecido como ciclo Otto, em homenagem a Nikolaus Otto, que o inventou em 1867, que é largamente utilizado em transportes até nos dias de hoje. Os 4 tempos são:

1 - Admissão

2 – Compressão

3 – Explosão e Expansão

4– Escapamento

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.

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.

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. 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. Há conservação de energia nesses motores.

No quarto tempo a mistura gasosa é eliminada pelo escapamento com temperatura maior do que antes da explosão. Logo, parte do calor de combustão é transformada em energia interna dos gases, além da troca de calor que ocorre entre a carcaça do motor e o ambiente. A parte restante do calor de combustão é devida a energia de movimento do pistão. No motor de combustão interna o trabalho (W) é realizado apenas no 3o tempo, quando os gases empurram o pistão para baixo.

Nos demais tempos o pistão se movimenta devido a inércia do sistema ligado ao virabrequim. A 1a Lei da termodinâmica também é obedecida. Uma parte da energia do combustível é utilizada na realização de trabalho e a outra parte é transferida ao meio ambiente, em cada ciclo, sendo necessário, a cada reinício, uma nova dose de combustível, ou seja, de energia.

O cálculo de rendimento para esses motores incluem as capacidades térmicas, pressão, volume, taxa de compressão, entre outros parâmetros. Para motores Otto, o rendimento real situa-se entre 22 a 30%, enquanto que para o motor Diesel situa-se na faixa de 30 a 38%. As perdas térmicas se devem aos gases que escapam a altas temperaturas, à troca de calor entre o motor e o meio ambiente feito pelo sistema de refrigeração e ao atrito entre as peças.

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.

(Passo3)

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?

Assim como o corpo humano os motores são compostos de sistemas que se integram para desempenhar um bom funcionamento, são eles: sistema de arrefecimento, sistema de injeção de combustível, sistema de ignição, sistema elétrico, sistema de ar de alimentação, sistema de partida e sistema mecânico; cada um desse sistema é composto de um conjunto de peças necessárias para o funcionamento do sistema. O Bloco do motor aloja o eixo de manivelas, ou virabrequim. Assim como as bielas e os pistões que deslizam dentro de um lance chamado camisas, cilindros ou câmaras de compressão. A parte superior ou de fechamento é bloco de comando de válvulas. Depois vem a parte de alimentação de combustível, de refrigeração e a parte eletroeletrônica.

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

A primeira observação importante é que ambos realizam a Admissão, Compressão, Combustão e Exaustão, ou seja, ambos recebem uma porção de combustível, comprimem, queimam e descartam os gases resultantes dessa queima. Então onde está a diferença? A diferença fica bem perceptível nas analises visuais do funcionamento de cada um, vejamos:

Motor 2 tempos

Observando a animação podemos notar algumas características desse motor, a principal é que a Admissão, Compressão, Combustão e Exaustão são realizadas em uma volta completa do eixo de manivelas. O êmbolo desce por consequência da Combustão e nesse percurso abre a Janela de Escape para a saída dos gases, posteriormente o êmbolo sobe abre a Janela de Admissão para a entrada de combustível e em seguida comprime essa mistura.

Motor 4 tempos

No motor de 4 tempos, a Admissão, Compressão, Combustão e Exaustão são realizados em duas voltas completas do eixo de manivelas.

1 – Admissão

2 – Compressão

3 – Combustão

4 - Exaustão

As válvulas acima do cilindro controlam esses ciclos, sendo uma de exaustão e outra de admissão elas são acionadas por um eixo com ressaltos, chamado de eixo de comando de válvulas que gira acoplado ao eixo de manivelas. O que muda no resultado final da aplicação desses dois tipos de motores? Como vimos na primeira animação, 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 um conceito intrínseco dos motores a combustão interna. É um valor numérico, neste caso uma razão ou proporção, que compreende a relação entre o volume da câmara de combustão completamente distendida para o volume da câmara de combustão completamente comprimida. Por exemplo, quando se diz que um motor possui uma taxa de compressão de 10:1, isto significa que a câmara de combustão, quando completamente distendida, possui volume 10 vezes maior em relação ao da câmara completamente comprimida.

b\; = diâmetro do cilindro

s\; = curso do pistão

V_c\; = câmara de combustão.

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

O funcionamento do motor a álcool e gasolina são o mesmo. Por combustão interna ou explosão. O combustível é injetado juntamente com o ar, e ocorre uma centelha ou faísca normalmente iniciada pela "vela" do carro. Os gases gerados pela explosão fazem com que os pistões se movam, e assim gera o movimento do virabrequim. Já o motor a Diesel utiliza a explosão por compressão. O ar quente é comprimido e no momento em que é injetado o diesel, o embolo comprime essa mistura e faz com que haja a explosão por compressão, não sendo necessária a utilização de faísca ou centelha como álcool e gasolina. E diferentemente de como já disseram, o álcool leva vantagens sobre a gasolina, primeiro é um combustível renovável. Segundo, ele é menos poluente, por ter uma queima mais limpa, ele queima quase que por completo, não gerando tantas sobras, como a gasolina. Terceiro, ele gera mais potência do que a gasolina. Isso pode ser comprovado pela venda de carros flex. hoje em dia, em que normalmente um motor de 77 cavalos andando a gasolina, passa a render 79 a 80 cavalos no álcool.

5. Qual o caminho feito pelo combustível?

Circuito nos motores a injeção eu diria que vai 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 que disse anteriormente ai girando empurrando 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?

O princípio é o mesmo, o que mudo é o material refrigerante. Na refrigeração a ar, normalmente o ar é captado do ambiente, passa por dutos dentro do que tem que ser resfriado e depois é expelido, isso é um processo contínuo alimentado por uma bomba de ar ou sistema de ventilação. Na refrigeração a água existe os dutos por onde a água passa e resfria o que tem que ser resfriado. Depois, essa água é novamente resfriada por um radiador e depois volta, começando tudo de novo, resumindo então a gasolina não fica circulando dentro do motor, logo que ela entra já é queimada junto com o ar admitido.

7. Qual a função do carburador de um carro?

O carburador realiza a mistura Ar/Combustível a ser injetado no cilindro do motor do carro para que haja a explosão efetiva.

8. Qual a função do motor de arranque?

O motor de arranque é tecnicamente chamado de motor de partida. Sua função é acionar a cremalheira através de seu pinhão (engrenagem). Quando a chave do carro é acionada, o motor de partida é energizado e o pinhão avança girando até a cremalheira e rompe a inércia do motor que parte simultaneamente com a combustão dentro da câmara. Assim que a chave volta a posição de ligado o pinhão recua para a posição original. Parece um equipamento simples, mas exige sincronia, precisão nas medidas e ajustes para que não se tenha muito ruído na partida e a força necessária para vencer a inércia do motor. Ele veio a substituir aquelas manivelas usado na frente dos carros antigos.

(Passo 4)

Pesquisar os tipos de turbo-compressores disponíveis para motores automotivos e verificaras 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 (lado esquerdo) e compressor (lado direito) conforme ilustração 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.

Com o aumento da densidade do ar decorrente da compressão, pode-se adicionar mais combustível à esta mistura que será encaminhada até a câmara de combustão do motor, fazendo com que mais trabalho seja produzido a cada ciclo. Por exemplo, se um turbo-compressor estivesse trabalhando com uma pressão de aproximadamente 1 kg/cm², o motor estaria admitindo 2 atmosferas, ou seja, o dobro de ar ocupando num mesmo espaço físico sem alterar as dimensões do cilindro. Deste modo, dever-se-ia misturar o dobro de combustível neste ar (para que a mistura permaneça estequiométrica), que seria encaminhado para dentro da câmara de combustão. Neste caso, conseguir-se-ia quase dobrar a potência de um motor. Na prática não se conseguiria dobrar a potência pois o processo de compressão também causa aumento de temperatura do ar, o que causa o efeito oposto: redução de densidade. Para compensar esse efeito geralmente usa-se um trocador de calor chamado Inter cooler entre o compressor e a admissão

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

Dispositivo de sobre alimentação de fluxo axial

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 sobre alimentação, 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 adequado 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 umas rodas de diâmetro inferior ou igual a 160 mm, este tipo de dispositivo de sobre alimentação 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.

Etapa 4

(Passo 1)

Representar o diagrama p – v idealizado para o Ciclo de Otto num motor a gasolina de 4tempos e explicar o que ocorre em cada um dos processos nesse ciclo.

O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido por Beau de Rochas. Implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel.

Este ciclo termodinâmico está presente, por exemplo, em motores a combustão interna, que utilizam combustíveis com alto poder calorífico e que queimam rapidamente (explosão), elevando a pressão no interior do cilindro enquanto o volume permanece constante. Um motor de automóvel movido a gasolina ou álcool funciona sob este ciclo.

Motores baseados neste ciclo equipam a maioria dos automóveis de passeio atualmente. Para esta aplicação, é possível construir motores a quatro tempos mais eficientes e menos poluentes em comparação aos motores a dois tempos, apesar do maior número de partes móveis, maior complexidade, peso e volume, comparando motores de mesma potência.

O ciclo ideal se constitui dos seguintes processos:

1. Admissão isobárica 0-1.

2. Compressão adiabática 1-2.

3. Combustão isobárica 2-3, expansão adiabática 3-4.

4. Abertura de válvula 4-5, exaustão isobárica 5-0

(Passo 2)

Mostrar que o rendimento do ciclo para uma mistura de ar com vapor de gasolina (tratada como gás ideal) é dado por:

n=1− ___1___

(rv) k−1

Onde rv é a taxa de compressão e a k é a coeficiente adiabático da mistura. Explicar o

Significado de cada termo na equação. Onde r é a taxa de compressão e a k é a coeficiente adiabático da mistura. Explicar o significado de cada termo na equação.

Conforme mostra a figura abaixo, o ciclo Otto inicia no ponto morto inferior - estado 1 - quando o pistão inicia a compressão da mistura gás/combustível e termina no ponto morto superior - estado 2.

Neste ponto, a mistura é detonada e a pressão aumenta subitamente e o ciclo passa para o estado 3. Este aumento de pressão força o pistão na direção do ponto morto inferior - estado 4- produzindo trabalho.

A partir do momento em que as válvulas de exaustão são abertas, os gases de exaustão são liberados para a atmosfera.

O trabalho realizado pelo pistão é dado pelo produto do volume de deslocamento pela pressão média efetiva do ciclo (mean effective pressure) - Pmep. O rendimento do ciclo Otto pode ser calculado, a partir do Ciclo de Carnot, da seguinte maneira: Considerando a expansão e a compressão como sendo processos isotrópicos, que V1=V4 e que V3=V2, teremos que:

Onde:

k é a relação de calor específico = Cp/Cv;

r é a taxa de compressão

(Passo 3)

Calcular o rendimento para k=1,4 e r=10, que são condições para compressão máxima permissível para evitar pré-ignição.

Resolução: = 60%

Introdução

Muitos processos termodinâmicos ocorrem naturalmente em um dado sentido, mas não ocorrem em sentido oposto. Por exemplo, o calor sempre flui de um corpo quente para um corpo frio, nunca em sentido contrário. O fluxo de calor de um corpo frio para um corpo quente não viola a primeira lei da termodinâmica, a energia seria conservada. Porém, isso não ocorre na natureza. Por que não? É fácil converter completamente a energia mecânica em calor; isto ocorre sempre que usamos o freio para parar um carro. Indo no sentido inverso, existem muitos dispositivos que convertem parcialmente o calor em energia mecânica (por exemplo, o motor de um automóvel). Porém, nunca nenhum inventor conseguiu construir uma máquina capaz de converter completamente uma quantidade de calor em energia mecânica. Por que não?

A resposta para estas duas perguntas diz respeito aos sentidos dos processos termodinâmicos é dada pela segunda lei da termodinâmica. Esta Lei determina limites fundamentais para o rendimento de uma máquina ou de uma usina elétrica. Ela também estipula limites para a energia mínima que deve ser fornecida a um refrigerador. Logo, a segunda lei da termodinâmica é diretamente relevante para muitos problemas práticos importantes.

Podemos também enunciar a segunda lei em termos do conceito de entropia, uma grandeza que mede o grau de desordem de um sistema. A ideia de entropia ajuda a entender por que a tinta que se mistura com água não pode jamais ser separada espontaneamente e qual á a razão pela qual uma grande quantidade de processos aparentemente possíveis nunca ocorre na natureza.

Neste trabalho também vamos ver que máquinas térmicas são dispositivas que, operando em ciclo, retiram energia na forma de calor de uma fonte quente, como por exemplo: gás ou vapor em expansão térmica, e a transfere para uma fonte fria realizando trabalho. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor para a fonte fria. Como ela opera em ciclo, a substância de trabalho deve passar por uma série fechada de processos termodinâmicos, retornando ao seu ponto de partida ao final de cada ciclo.

(Passo 4)

Elaborar um relatório intitulado Aplicação da termodinâmica no estudo de um motor de automóvel, com o conteúdo desenvolvido nas etapas desta ATPS e de acordo com indicado no item Padronização desta ATPS.

Relatório

Neste trabalho concluímos que a segunda lei da termodinâmica envolve o funcionamento das máquinas térmicas, ou seja, situações em que o calor é transformado em outras formas de energia. O estudo das máquinas térmicas deixou os físicos bastante intrigados com situações que não ocorriam de maneira esperada, mesmo não violando a Lei da conservação de Energia.

Uma dessas situações que não ocorriam era a passagem espontânea de calor de um corpo frio para um corpo quente, o que sempre ocorre é o inverso, passagem espontânea de calor de um corpo quente para um corpo frio. Alguém poderia citar o refrigerador como a passagem de calor da região fria para uma região quente, mas não é espontâneo, para que ocorra é necessária à utilização de um motor que realize o trabalho.

A outra situação que não ocorre é a transformação integral de calor em trabalho. As máquinas térmicas trabalham utilizando duas fontes de temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviada a fonte fria. Não é possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho. Foram essas duas situação também chamadas de proibições que deram origem a segunda lei da termodinâmica:

O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio, o inverso só ocorre com a realização de trabalho e nenhuma máquina térmica que opera em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transforma-lo integralmente em trabalho.

Fazendo uma comparação entre a primeira e a segunda lei da termodinâmica, podemos dizer que enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.

Conclui-se também que uma máquina térmica necessita de uma fonte quente de onde se retira o calor, o qual transformará em trabalho e o que não é aproveitado para a realização do trabalho a máquina rejeita para uma fonte fria.

Referências bibliográficas:

https://docs.google.com/file/d/0B7hs5suTq5PdbjJEYmtQSG9icDg/edit

http://osfundamentosdafisica.blogspot.com.br/2013/06/cursos-do-blog-termologia-optica-e- ondas_18.html

http://pt.slideshare.net/fisicaatual/termodinmica-9389447

http://www.if.ufrj.br/~bertu/fis2/segunda_lei/segunda_lei.html

http://www.coladaweb.com/fisica/termologia/leis-da-termodinamica

http://www.zfmotor.com/quais-sao-os-diferentes-tipos-de-turbocompressores.html

http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/16199/16199_4.PDF

http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/ciclo_otto.php

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

http://www.infoescola.com/fisica/primeira-lei-da-termodinamica/

http://emtemposc.blogspot.com.br/2011/05/tabela-de-calor-especifico-da-agua-e-do.html

http://www.fisica.net/ead/mod/glossary/showentry.php?courseid=1&eid=422&displayformat=dictionary

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/ciclodecarnot.php

www.wecareauto.com.br

http://pt.wikipedia.org