Máquinas térmicas

OBJETIVO GERAL

Verificação do princípio básico de funcionamento de máquinas térmicas.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A máquina térmica é um dispositivo que transforma a energia interna de um combustível em energia mecânica. Também pode ser definida como o dispositivo capaz de converter calor em trabalho.

Máquinas térmicas a vapor e máquinas térmicas de combustão interna têm seu funcionamento baseado no aumento da energia interna das substâncias envolvidas e no trabalho realizado. Tanto a energia interna quanto o trabalho, dependem da quantidade de energia na forma de calor que foi transferida à substância.

Quando um fluido passa de uma situação inicial ( i) para uma situação final (f), caracterizadas respectivamente pelas coordenadas termodinâmicas (Pi, Vi, Ti) e (Pf, Vf, Tf), o trabalho (W) realizado por ele é dado pela equação:

W= ʃ PdV

Portanto o trabalho realizado depende dos estados inicial e final, e também dos estados intermediários.

As máquinas térmicas obedecem a Primeira Lei da Termodinâmica, pois parte da energia na forma de calor (Q) que recebem, é transformada em trabalho (W). A outra parte é transformada em variação de energia interna, Δ U, esta parte representa a quantidade de energia degradada ou não aproveitada, de modo que:

Q = W + Δ U.

Portanto, a soma do trabalho realizado pela máquina com o aumento da energia interna deve ser igual à quantidade de energia que lhe foi fornecida.

A transformação de calor em trabalho é feita por meio de máquinas térmicas que trabalham em transformações cíclicas.

Para que um dado sistema realize um processo cíclico no qual retira certa quantidade de energia, por calor, de um reservatório térmico e cede, por trabalho, outra quantidade de energia à vizinhança, são necessários dois reservatórios térmicos com temperaturas diferentes.

Uma máquina térmica retira certa quantidade de energia Q2, por calor, de um reservatório térmico de temperatura alta T2, cede uma quantidade de energia menor Q1, também por calor, a um reservatório térmico de temperatura baixa T1 e cede uma quantidade de energia W, por trabalho, à vizinhança.

Em cada ciclo, o sistema retorna ao estado inicial: ∆U = 0. Então, quantidade de energia W, cedida, por trabalho, à vizinhança, pode ser escrita:

W = Q2 - Q1

Para caracterizar a qualidade de uma máquina térmica em transformar a energia retirada do reservatório térmico de alta temperatura por calor em energia cedida à vizinhança por trabalho, definimos o rendimento:

R = Q2 – Q1

Q2

Pela segunda lei da Termodinâmica, não podemos construir uma máquina térmica que transforme integralmente a energia retirada do reservatório térmico de alta temperatura por calor em energia cedida à vizinhança por trabalho através de um processo cíclico. Dessa forma, devemos ter sempre, Q1 ≠ 0 e, daí, R< 1. Portanto, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

MÁQUINA A VAPOR

Consiste de 4 partes fundamentais: a caldeira, o cilindro, o distribuidor de vapor, o aparelho de transmissão e alguns órgãos acessórios.

A caldeira é um reservatório que contem a água a ser aquecida para produzir vapor. Esse vapor passa por meio de tubos ao cilindro, onde o êmbolo é deslocado.

Há então duas classificações dependendo de como o vapor age no êmbolo. Em máquinas de simples efeito, o vapor age só em um lado do êmbolo. E em máquinas de duplo efeito, o êmbolo recebe alternadamente vapor em suas duas faces.

A conversão do movimento vaivém do êmbolo em movimento circular é feita pelos órgãos transmissores.

E o vapor que sai após ter realizado trabalho ou e dissipado na atmosfera ou é canalizado (neste último caso, o rendimento da máquina é aumentado).

MOTOR A DIESEL 4 TEMPOS

O órgão essencial é um cilindro em que existem duas aberturas na parte superior. Essas aberturas são munidas de válvulas que abrem automaticamente. Por uma delas o ar atmosférico é admitido e por outra saem os gases queimados. Entre as válvulas está o injetor que é responsável por alimentar o motor.

1º tempo (admissão de ar): o êmbolo parte da parte mais elevada do cilindro para a parte mais baixa, nesse processo a válvula está aberta havendo a penetração de ar atmosférico. Essa válvula é fechada quando se atinge a parte mais baixa.

2º tempo (compressão do ar): com as duas válvulas fechadas o êmbolo sai da parte inferior e volta para a superior, comprimindo o ar. Essa diminuição de volume provoca um aumento na pressão e há um aumento na temperatura do ar comprimido.

3º tempo (combustão e expansão): o combustível é injetado dentro do cilindro e devido à alta temperatura o combustível inflama-se gradualmente, durante esse tempo a pressão é mantida constante. A queima do combustível libera uma grande quantidade de calor, o gases queimados se expandem adiabaticamente no interior do cilindro. O êmbolo então é empurrado da posição superior para a inferior.

4º tempo (escapamento): abre-se a válvula de escapamento e a pressão abaixa até atingir a pressão atmosférica. E o êmbolo desloca-se da posição inferior para a superior impelindo os gases queimados.

Obs: cada curso do êmbolo corresponde a um giro de 180º do eixo-manivela. Portanto, um ciclo completo corresponde a 720º.

MOTOR A DIESEL 4 TEMPOS

1º tempo (admissão de ar): Nessa etapa a válvula de admissão permite a entrada, na câmara de combustão, de uma mistura de ar e combustível enquanto o pistão se move de forma a aumentar o espaço no interior da câmara.

2º tempo (compressão do ar): Nesta etapa o pistão se move de forma a comprimir a mistura, fazendo seu volume diminuir. Aqui ocorre uma compressão adiabática e em seguida a máquina térmica recebe calor numa transformação isocórica.

3º tempo (combustão e expansão): No término da compressão um dispositivo elétrico gera uma centelha que ocasiona a explosão da mistura ocasionando sua expansão.

4º tempo (escapamento): a válvula de saída abre e permite a exaustão do gás queimado na explosão.