Mecanica

ETAPA 1

Passo 1 (Equipe)

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

Há dois tipos de sistema de arrefecimento encontrados em motores de combustão interna: arrefecimento a liquido e arrefecimento a ar.

Arrefecimento a líquido

O sistema de arrefecimento a líquido faz circular um fluido por mangueiras e partes do motor. Ao passar pelo motor quente o líquido absorve calor, resfriando o motor. Depois que o fluido deixa o motor ele passa por um trocador de calor, ou radiador, que transfere o 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 poucos contemporâneos usam motores refrigerados a ar. Em vez de haver um líquido circulando pelo motor, o bloco e o cabeçote são dotados de aletas que aumentam a área de absorção de calor e de contato com o ar, conduzindo o calor para longe do motor. Uma potente ventoinha força o ar sobre essas aletas, que resfriam o motor ao acelerar a transferência de calor para o ar. Quando o motor é exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, a ventoinha pode ser dispensada.

Líquido de arrefecimento

A água é um dos fluidos mais eficazes na conservação de calor por isso, mas ela congela numa temperatura muito alta para ser usada em motores de automóveis. 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.

A temperatura do líquido de arrefecimento pode chegar, às vezes, de 121º C a 135º C. Mesmo com a adição do etileno-glicol, essas temperaturas ferveriam o líquido de arrefecimento; logo, algo mais tem de ser feito para elevar o ponto de ebulição.

O sistema de arrefecimento usa pressão para elevar ainda mais o ponto de ebulição do líquido de arrefecimento. Assim como a temperatura de ebulição é mais alta numa panela de pressão, a temperatura do líquido de arrefecimento ficará mais alta se o sistema for pressurizado. A maioria dos carros tem um limite de pressão de 14 a 15 libras por polegada quadrada (lb/pol²), ou 0,96 a 1,03 bar, o que aumenta o ponto de ebulição outros 25º C, permitindo que o líquido de arrefecimento suporte as altas temperaturas.

Os aditivos para radiadores inibem a corrosão, por apresentarem pequenas quantidades de anticorrosivos: substâncias muito diversas, desde sulfonatos de sódio e ésteres graxos de sódio ou cálcio até carboxi-polímeros.

Passo 2 (Equipe)

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

Resolução:

Q = m x c x ∆t

O produto do calor específico de uma substância pela sua massa (m.c) é conhecido como a sua capacidade térmica (C).

C = m x c

Logo:

Qágua = mágua x cágua x ∆tágua

Qar = mar x car x ∆tar

Supondo que a variação de temperatura da água e do ar seja a mesma, como:

Qágua = Qar

mágua x cágua = mar x car

Ou seja, as capacidades térmicas do ar e da água são iguais.

mágua/mar=cágua/car

mágua/mar=(0,24 )/1 ⤍ mar= 1/0,24 x mágua=4,2 x mágua

Passo 3 (Equipe)

Verificar 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.

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

3.1- A faixa de temperatura usual em que o líquido de arrefecimento opera está entre 75 °C e 90°C, com o objetivo de evitar a vaporização do fluido. Com o uso de misturas água – etileno glicol essa faixa de temperaturas pode facilmente superar os 100 °C. Para sistemas pressurizados estes valores sobem.

3.2- Os tipos de termostatos utilizados no sistema de arrefecimento automotivo são:

1. Aneroide: possui um bulbo metálico expansível parcialmente cheio de acetona, álcool ou outro líquido volátil. Quando o fluido atinge a temperatura de evaporação, o líquido no bulbo evapora e fecha a válvula.

2. Hidrostático: o controle da válvula é dado por um elemento carregado com uma substância de elevado coeficiente de expansão térmica. Nos sistemas modernos este tipo de termostato apresenta a vantagem de ser insensível às variações de pressão.

3.2- O controle da temperatura é muito importante para evitar que ocorra superaquecimento que pode até mesmo causar a destruição da câmara de combustão. Também para evitar que o combustível entre em autoignição que é a temperatura mínima à qual a substância entra em combustão espontânea, causando a detonação precoce do combustível que gerando assim perda de potência do motor.

Passo quatro (Equipe)

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.

Em termodinâmica, dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pelo aumento de sua temperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e consequente aumento na distância média entre as mesmas.

Comparando os coeficientes de dilatação térmica do álcool e da gasolina podemos observar que a gasolina possui um coeficiente de dilatação térmica maior que o do álcool:

Coeficiente de dilatação volumétrica (γ) em ºC-1

Gasolina- 11 x 〖10〗^(-4)

Álcool -100 x 〖10〗^(-5)

A dilatação aumenta o volume, mas mantém a massa constante. Então se considera mais vantajoso abastecer em um horário em que o combustível esteja mais frio, pois quanto mais frio maior sua densidade. Devido ao processo de perda de calor não ser instantâneo chegamos à conclusão que o melhor horário para se abastecer é o período da manhã, pois o combustível passou a noite toda perdendo calor.

ETAPA 2

Passo 1 (Equipe)

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

Primeira Lei da Termodinâmica

A energia interna U de um sistema é a soma das energias cinéticas e das energias potenciais de todas as partículas que formam esse sistema e, como tal, é uma propriedade do sistema. Isto significa que qualquer variação ∆U na energia interna só depende do estado inicial e do estado final do sistema na transformação considerada. Além disso:

• Se um sistema troca energia com a vizinhança por trabalho e por calor, então a variação da sua energia interna é dada por:

∆U = Q − W

Este é o enunciado da primeira lei da Termodinâmica. Esta lei representa a aplicação do princípio de conservação da energia a sistemas que podem trocar energia com a vizinhança por calor e por trabalho.

Nesta expressão, W representa a quantidade de energia associada ao trabalho do sistema sobre a vizinhança e, por isso:

• W > 0 quando o sistema se expande e perde energia para a vizinhança.

• W < 0 quando o sistema se contrai e recebe energia da vizinhança.

Além disso, Q representa a quantidade de energia associada ao calor da vizinhança para o sistema e, por isso:

• Q > 0 quando a energia passa da vizinhança para o sistema.

• Q < 0 quando a energia passa do sistema para a vizinhança. A primeira lei afirma, então, que, apesar da quantidade de energia trocada por trabalho e da quantidade de energia trocada por calor entre o sistema e a vizinhança, cada uma delas, do processo pelo qual o sistema passa de um estado para outro, a diferença entre elas não depende.

Passo 2 (Equipe)

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.

Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção, nos motores automotivos ocorrem os três tipos.

1 - Por condução: quando existe uma diferença de temperatura em um meio, que pode ser um material sólido ou um fluido (líquido ou ar) usamos o termo condução para nos referir à transferência de calor que ocorre através do meio. É o modo de transferência de calor no cabeçote, paredes do cilindro, pistão bloco e coletores.

Expressando matematicamente temos:

q_CN=Q/A=-k∇ T

q_CNx=Qx/A=-k dT/dx

Onde:

q=Fluxo de calor (W/m^2)

k=Condutibilidade térmica (W/m/K)

A= Área transversal de transferência (m^2)

2 - Por convecção: descreve à transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento.

É o modo de transferência de calor entre os gases e líquidos e as paredes dos componentes do motor.

q_CN=Q/A=h_g (T_g-T_(w.g) )

q_CN=Q/A=h_c (T_(w.c)-T_(c))

Onde:

h= Coeficiente de transferência de calor (W/m^2/K)

T_w= Temperatura da superfície da parede sólida

T ̅= Temperatura média do fluído

Subscritos,

g= gás

c= Fluído de resfriamente (água ou ar)

3 - Por radiação térmica: toda superfície a uma temperatura maior que zero Kelvin, emite energia na forma de ondas eletromagnéticas. Assim, na ausência de um meio, existe uma transferência de calor por radiação entre duas superfícies que se encontram a diferentes temperaturas. É modo secundário de transferências de calor entre os gases quentes durante a queima e as paredes do cilindro no caso do motor.

q_R=Q/A=F_f ɛ τ (T_g^4-T_(w.g)^4)

τ= Constante de Stefan-Boltzmann (5,67x〖10〗^(-8) W/m^2/K^4)

ɛ= Emissividade

F_(f=) Fator de forma

T_(w=) Temperatura da superfície da parede sólida (K)

T_(g=) Temperatura média do fluído (K)

Subscrito,

g= Gás

A transferência de calor afeta o desempenho e a eficiência dos motores através dos seguintes parâmetros:

Aquecimento do óleo (maior atrito)

Expansão térmica dos componentes (pistão, anéis, cilindro, cabeçote, etc.)

Carrega o sistema de resfriamento e seus acessórios

Passo 3 (Equipe)

Relacionar os modos de transferência citados na etapa anterior às propriedades dos materiais que compõem o motor.

O calor é transferido por condução quando átomos adjacentes vibram um contra o outro, ou quando elétrons movem-se de um átomo a outro. A transferência de calor depende da condutividade térmica do material, por isso os motores são compostos de metais que normalmente são os melhores condutores térmicos. Os metais são bons condutores devido à ligação de que formam eles.

Eles são formados por ligação metálica, e um retículo cristalino formado por cátions, rodeados por elétrons livres.

A transferência de calor por convecção no motor acontece entre um sólido e um líquido escoando sobre a superfície. A taxa de transferência de calor, através da superfície de troca de calor, é proporcional à diferença de temperatura entre a superfície e o líquido. No caso do motor a temperatura do material do motor (metal) é superior à temperatura dos gases e dos líquidos, essa diferença é essencial para que haja a convecção.

A radiação é a transmissão de energia em forma de ondas eletromagnéticas através do espaço sem um meio de transmissão. A transferência por radiação depende de parâmetros de forma, absorção e emissividade específicos para cada tipo material.

A relação da transferência de calor por radiação e o material que compõe o motor está ligada ao fato do metal ser um excelente refletor e funcionar como uma barreira radiante. Barreiras radiantes são materiais os quais refletem radiação e consequentemente reduzem o fluxo de calor das fontes radioativas

Passo 4 (Equipe)

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.

Da energia disponível no combustível, só 30% é transformada em potência ou trabalho útil. O resto (70%) é desperdiçada em calor retirado pelo líquido de arrefecimento e em calor transportado pelos gases de escape. O mais grave é que os gases de escape além transportarem calor, que é energia não aproveitada, são fonte de poluição, já que alguns dos seus componentes agridem intensamente o meio ambiente.

Definição de Materiais Termoelétricos

Os materiais termoelétricos são aqueles capazes de gerar energia elétrica a partir de efeitos térmicos. Ou seja, os efeitos termoelétricos permitem que energia térmica e elétrica possam ser convertidas uma para outra.

Uma tecnologia baseada em materiais termoelétricos é a Biocélula termoelétrica que aproveita calor do metabolismo de microrganismos.

Células a combustível microbianas têm sido desenvolvidas há vários anos. Hoje, já existem até robôs alimentados pela eletricidade gerada por micróbios e as biocélulas alimentadas por bactérias têm-se tornado particularmente eficientes em termos energéticos.

Essas biocélulas funcionam usando um anodo que captura os elétrons presentes na matéria orgânica - as células a combustível microbianas convertem energia química em energia elétrica pela "combustão bioeletroquímica" da matéria orgânica. Agora, pesquisadores espanhóis apresentaram uma novidade na área: eles criaram a primeira célula microbiana termoelétrica.

Ao contrário das tradicionais biocélulas, que são eletroquímicas, a biocélula termoelétrica converte o calor gerado pelo metabolismo dos microrganismos em eletricidade. Isso permite capturar o calor residual gerado nos processos biotecnológicos, em fermentações alcoólicas - indústrias alimentares, cervejarias etc -, na compostagem orgânica e em vários outros processos industriais.

Raúl Rodríguez-Barreiro e seus colegas da Universidade de Valência conectaram termicamente um cultivo de levedura a uma placa termogeradora, que produz eletricidade mediante um diferencial de temperatura entre os seus dois lados - o chamado efeito Seebeck. Assim, o calor gerado pela levedura enquanto se desenvolve produz um gradiente térmico na placa, que por sua vez produz eletricidade.

Uma cultura de 1,7 litros de levedura, a uma temperatura de 41°C, produziu uma tensão que variou entre 250 e 600 mV. Como os processos industriais que têm em mente trabalham com milhares e até milhões de litros, os pesquisadores mostraram-se entusiasmados com os resultados iniciais, mas afirmam que já estão trabalhando para melhorar o rendimento da biocélula termoelétrica.

O próximo passo será usar culturas microbianas fortemente exotérmicas, assim como fabricar uma célula multifuncional, que possa aproveitar o calor tanto de meios líquidos, quanto de meios sólidos.

Segundo a equipe, é preciso destacar a funcionalidade dupla do novo sistema de célula microbiana termoelétrica: além de produzir eletricidade, ela regula a temperatura da cultura, mantendo a temperatura mais adequada ao processo industrial. Assim, simultaneamente com a geração da termoeletricidade, pode-se obter uma economia da energia hoje gasta com a refrigeração dos equipamentos.

ETAPA 4

PASSO 01

MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA DE 4 TEMPOS

A maioria dos veículos atualmente usa motores que possuem o ciclo de combustão de 4 tempos para converter a energia concentrada na gasolina em movimento. Este tipo de veículo recebe o nome ciclo Otto em homenagem a Nikolaus Otto que o inventou em 1867. Os motores de antigamente, fabricados na década de 80, eram feitos geralmente de aço e ferro fundido. Contudo, atualmente, por motivos de economia e durabilidade, esses mesmos motores estão sendo desenvolvidos com aço e alumínio, por ser um material mais leve e de difícil oxidação.

CICLO OTTO

Os processos que ocorrem nos motores a álcool, a gasolina ou flex de 4 tempos são representados logo a seguir por meio de diagramas que representam o ciclo do motor a combustão interna: ciclo Otto. As figuras 3, 4, 5 e 6 demonstram o funcionamento de um ciclo em etapas por meio de diagramas de pressão por volume. A figura 7 apresenta o ciclo ideal completo e a figura 8 apresenta um ciclo real completo.

Admissão da mistura: 1° tempo

Abertura da válvula de admissão: nesta situação a velocidade de avanço da mistura dos fluidos é praticamente igual à velocidade do pistão. Em consequência desse fato, a pressão fica praticamente constante e o volume aumenta: processo isobárico.

Compressão da mistura: 2° tempo

Nesta situação o trabalho do pistão é convertido totalmente em energia interna da mescla dos fluidos que possuem a pressão e temperaturas elevadas. Essa condição produz uma compressão adiabática, pois o processo é muito rápido e praticamente não há trocas de calor. O volume diminui à medida que a pressão e a temperatura aumentam.

Explosão da mistura: 3° tempo

Neste trecho ocorre a explosão e não há variação de volume, já que a reação química é muito rápida (não há consequentemente o movimento do pistão). Também ocorre um grande aumento da temperatura e pressão; Na segunda parte da explosão , o pistão desce com extrema rapidez, não havendo assim trocas de calor. Por esse motivo a expansão é considerada adiabática.

Escape dos gases: 4° tempo

Com a abertura da válvula no motor ocorre a variação da pressão e da massa da mistura, não havendo assim tempo para a mudança de curso do pistão e, portanto, a não variação do volume. Essa descompressão é considerada isométrica. A exaustão dos gases ocorre no trecho. Neste processo a massa do gás presente no cilindro diminui na mesma proporção que o volume e é considerado isobárico. Os processos descritos logo acima são representados de forma conjunta no diagrama P x V para o ciclo completo do motor a combustão interna, que é denominado ciclo Otto.

Os processos descritos acima são situações bem próximas do real. Dessa forma, o diagrama das variações da pressão e do volume em um motor real manifesta alguma diferença em relação ao analisado precedentemente. Na admissão a pressão não permanece constante (o processo não é perfeitamente isobárico), pois o volume da mistura ar/combustível não acompanha o movimento do pistão, havendo, portanto certa diminuição de pressão. Na explosão, o processo não é perfeitamente isovolumétrico (isométrico) porque não acontece instantaneamente e ocorre com certa velocidade do pistão. A exaustão isométrica vista no ciclo Otto ideal não chega a ocorrer no ciclo real, porque o cilindro inverte bruscamente sua velocidade (transmitida pelo eixo) e já empurra a mistura queimada para fora. A exaustão real não é de fato isobárica porque o pistão tem velocidade inferior com relação à velocidade de escape do gás.

O diagrama P x V da figura abaixo apresenta o ciclo completo de um motor real22.

Quando um sistema muda de um estado para o outro, diz-se que o sistema sofre um processo (ou transformação). Essas transformações podem ser reversíveis ou irreversíveis. Processos reversíveis são aqueles que, teoricamente, são completamente reversíveis, podendo realizar a trajetória inversa do processo. Tomemos como exemplo um copo de água no estado líquido. Colocamos esse copo com água no interior de um refrigerador de baixa temperatura de modo que esta seja suficientemente baixa para ocasionar a mudança de estado para o sólido. Pois bem se, depois de transcorrido determinado tempo, retirarmos esse copo com água congelada e deixarmos a uma temperatura ambiente de 20oC, a água vai receber energia térmica do meio ambiente e tornará a ficar líquida. Esse é um exemplo bastante prático de um processo reversível. Uma forma bastante útil de se verificar a consistência de um processo em termos de reversibilidade é pensar na conservação de energia do sistema. Quando a energia do sistema se conserva, o processo será reversível: imagine uma bola de basquete lançada verticalmente para cima. Enquanto ela está subindo, ela diminui sua velocidade, diminuindo sua energia cinética e acumula energia potencial. Supondo que não haja atrito com o ar, a bola ao cair, retoma energia cinética e perde energia potencial ocasionando um acréscimo na sua velocidade. Isso acontece até que ela retorne ao ponto de partida com a mesma velocidade inicial.

Os processos irreversíveis são aqueles que só podem ser executados em um sentido, sem que haja a possibilidade da manutenção do processo ao primeiro estado. Imagine um ovo de uma ave. Imagine você faminto, querendo preparar um pequeno omelete com apenas um ovo. Agora imagine você deixando esse ovo se espatifar no chão... Que azar hein... Esse é o um tipo de evento que representa um processo irreversível: a partir do ovo espatifado você não pode tê-lo novamente no estado "inteiro". Outro exemplo seria pensar em termos de conservação de energia. Veja um automóvel que vem em alta velocidade onde o motorista aciona bruscamente o sistema de freios. O resultado é o carro "queimando" os quatro pneus no asfalto. Os pneus "queimam" porque o atrito é tão grande entre os pneus do automóvel e o asfalto que a temperatura aumenta a valores bastante altos, ocasionando a fusão e leve combustão da borracha. Embora um processo reversível ideal não seja possível na prática, torna-se contudo importante o seu modelo físico, já que pode ser desenhado graficamente como nas coordenadas pV e usando várias formas para avaliar processos reais ou o resultado destes.

Este diagrama representa um processo cíclico reversível. Os estados do sistema são denominados A, B, C e D. Para cada estado, há pelo menos um valor de pressão e volume. A trajetória entre os estados define-se como o processo. Então temos o processo AB, BC, CD e DA. Mas para o fim do processo, termodinamicamente, não importa se o sistema saiu de A e foi a C passando por B, ou ainda, se o sistema sai de A e vai diretamente a C. Pode ser demonstrado que qualquer mudança nos valores de várias propriedades físicas durante um processo termodinâmico qualquer depende somente do estado inicial e final do sistema, sendo independente a trajetória do processo, ou seja, a maneira de como ele se dá. De outra forma a quantidade de energia térmica transferida e/ou a quantidade de trabalho realizado durante um processo termodinâmico depende da forma como se desenrola o processo, isto é, da trajetória do processo. De acordo com o visto anteriormente, podemos dizer então que o trabalho realizado por um processo termodinâmico é a área debaixo do processo solicitado. Assim também podemos inferir que o trabalho de um ciclo termodinâmico fechado é a área da figura geométrica interna que o representa (o que é bastante útil, já que geralmente é mais fácil determinarmos a área de figuras geométricas regulares do que a área debaixo de algumas funções). Assim no primeiro diagrama pV, temos um ciclo termodinâmico fechado num retângulo. Para determinarmos o trabalho realizado neste ciclo basta apenas determinarmos a área deste retângulo fazendo, por exemplo, base (CD) vezes altura (DA). Se as unidades de pressão e volume estiverem no sistema internacional, teremos N/m2 a unidade de pressão e m3 a unidade de volume. Assim a unidade de trabalho correspondente é o Joule.

W = Área ou W = p.ΔV,

onde:

- W (trabalho) é dado em Joules;

- p (pressão) dada em N/m2;