Termodinamica

Engenharia de Automação e Controle

6ª Série

Termodinâmica

ETAPA 1

Aula-tema: Definição e Conceitos Fundamentais. Substâncias Puras e Propriedades. Esta atividade é importante para você compreender os fenômenos associados aos conceitos de temperatura e calor, e também para descrever um sistema termodinâmico.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS

Passo 1 (Equipe)

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.

Resposta

Termodinâmica

(termo- + dinâmica)

Parte da física que trata das relações existentes entre os fenômenos calóricos e os mecânicos.

A termodinâmica é o ramo da física que se dedica ao estudo das relações entre o calor e as restantes formas de energia. Analisa, por conseguinte, os efeitos das mudanças de temperatura, pressão, densidade, massa e volume nos sistemas a nível macroscópico.

A base da termodinâmica é tudo o que diz respeito à circulação da energia, um fenômeno capaz de incutir movimento aos corpos. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, conhecida como sendo o princípio de conservação da energia, se um sistema trocar calor com outro, a sua própria energia interna irá mudar. O calor, neste sentido, é a energia necessária que deve trocar um sistema para compensar as diferenças entre o trabalho e a energia interna.

A segunda lei da termodinâmica representa várias restrições para as transferências de energia que, hipoteticamente, possam ser levadas a cabo se for tida em conta a primeira lei. O segundo princípio regula a direção em que são levados a cabo os processos termodinâmicos e impõe a impossibilidade de se desenvolverem em sentido contrário. Convém destacar que esta segunda lei se apoia na entropia, uma grandeza física encarregue de medir a parte da energia que não pode ser usada para produzir trabalho.

A terceira lei da termodinâmica, por fim, destaca que é impossível alcançar uma temperatura que seja igual a zero absoluto através de um número finito de processos físicos.

Entre os processos termodinâmicos, destacam-se os isotérmicos (a temperatura não altera), os isócoros (o volume não altera), os isobáricos (a pressão não altera) e os adiabáticos (não há transferência de calor).

O que é energia? Etimologicamente, a palavra vem da junção de duas palavras gregas en (dentro) e ergon (ação), ou seja, “ação interior”. Vocês já estão familiarizados com este conceito na mecânica, em que ele é usado muitas vezes com o significado de “capacidade de realizar trabalho”.

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.

Sendo os 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 (Equipe)

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.

Sistema de refrigeração tem dois tipos o ar e a água

Resfriamento de ar

O resfriamento por ar sem condutores próprios e sem circulação forçada por meio de ventilador não permite um efeito uniforme em todos os cilindros, principalmente nos motores em linha, pois, neste caso, os cilindros montados atrás seriam pouco arrefecidos pela corrente de ar proveniente da grade existente na frente do carro.

Para resolver esta dificuldade, os motores arrefecidos a ar possuem um ventilador que faz incidir sobre os cilindros uma corrente de ar. Um controle termostático regula o fluxo do ar para garantir as condições térmicas satisfatórias para o funcionamento do motor. Um motor arrefecido por ar é muito mais ruidoso que um motor arrefecido por água, já que a camisa de água amortece uma grande parte do ruído do motor.

Resfriamento a água

A água e possuem um sistema de circulação no qual a água percorre os dutos internos do motor efetuando a troca de calor. A água passa pelo bloco do motor e refrigera a parte metálica que se encontra com temperatura elevada, o líquido esquenta e vai para o radiador onde o água é resfriada. Esse sistema faz com que o motor mantenha uma temperatura estabilizada. Para se ter uma idéia das temperaturas internas do motor saiba que no momento da combustão a temperatura chega a 2.000°c e na saída dos gazes resultantes da combustão gira em torno de 1.300°c .

O sistema de arrefecimento é composto pelos seguintes itens:

Radiador

É o componente constituído de uma colméia cuja finalidade é fazer a troca de calor da água aquecida pelo motor com o ar ambiente a fim de manter a temperatura do motor dentro níveis estabelecidos pelo fabricante.

Reservatório de água ou de expansão

O liquido de refrigeração do motor, normalmente se perderia por expansão ou evaporação, para evitar isso esse liquido é recolhido nesse reservatório de plástico semitransparente para possibilitar a visualização do nível. Desse modo, o sistema é mantido plenamente cheio e assim não requer reabastecimento constante de água, pois é um sistema de circuito selado.

Válvula termostática

Com o motor em funcionamento, ainda frio, o fluxo de água para o radiador fica temporariamente interrompido por uma válvula a fim de facilitar o aquecimento do cabeçote do motor. Em determinada temperatura, variável de acordo com o tipo de motor e combustível, a válvula se abre para que a água circule e retorne ao radiador. A válvula também trabalha para o sentido oposto, quando a temperatura externa é muito fria e o motor tende a esfriar abaixo do mínimo indicado pelo fabricante, fato que inevitavelmente aumenta o consumo de combustível. É totalmente desaconselhável a retirada desta válvula.

Eletroventilador

Trata-se de um ventilador movido pela eletricidade do carro destinado a criar um fluxo de ar através do radiador, principalmente quando o motor atinge certa temperatura para abaixar o calor da água. Ele pode ser acionado por um interruptor de temperatura (cebolão) ou pela unidade eletrônica de comando da injeção. Alguns veículos mais antigos contam com uma hélice, movimentada por correia pelo próprio motor.

Bomba d'água

A bomba faz circular o liquido de arrefecimento dentro do sistema de arrefecimento, ou seja, entre o motor o radiador, sendo acionada pela polia ligada ao virabrequim. Alguns motores contam com bombas elétricas

Líquido de arrefecimento

O motor de um carro aquece muito - afinal, a combustão é a base do seu funcionamento. Para remover o excesso de calor, o motor de um carro é resfriado por um líquido que circula continuamente, o líquido de arrefecimento. Esse líquido pode ser água pura, mas há vantagem em utilizar aditivos que modificam as propriedades dessa água. Isso porque a água pura congela normalmente a 0o C e ferve a 100o C, mas a água com aditivos apresenta temperatura de congelamento mais baixa e de ebulição mais alta. A água pura no circuito de arrefecimento poderia congelar. Por outro lado, em um dia muito quente (o resfriamento do motor é mais difícil) a água de arrefecimento chega facilmente a mais de 100o C, exigindo que o sistema trabalhe em uma temperatura mais alta. (Parte desse efeito é obtida pela pressurização da água - como em uma panela de pressão, o sistema fechado da água de arrefecimento também suporta uma pressão extra, que impede que a água pura ferva abaixo de cerca de 121o C.)

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

O calor sensível depende da massa (m), do calor específico (c) e da variação de temperatura do corpo (ΔT). A partir dessas considerações encontra-se a relação entre essas variáveis para a quantidade de calor.

Resposta.

Q = m.c.ΔT.

Quando se compara a quantidade de água e de ar para refrigerar um motor é preciso ter em mente que o importante é a massa das substâncias, e não o volume, pois o mesmo é influenciado pela temperatura. Quanto maior a temperatura, maior será o volume, e menor será sua massa, pois a densidade diminuiria.

Para provocar as mesmas refrigerações ambas substancias devem ter a mesma temperatura.

Seguindo a fórmula da quantidade de calor temos:

Car = 0.24cal/gºC

Ch2o = 1,0 cal/gºC

Qar=Qh2o

mar.car.Δt = mh2o.ch20.Δt

mar.car = mh2o.ch20

ch2o/car =mar/mh20

1/0.24=mh2o/mar

4 = mh2o/mar

Conclusão: Para 1kg de h20 é necessário 1kg de ar.

Passo 3 (Equipe)

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.

Com a adição de etileno glicol no líquido de arrefecimento a temperatura de congelamento é de-12,9o C, e a de ebulição é de 197,3o C. A adição de 50% de etileno glicol à água de arrefecimento faz com que a temperatura de congelamento seja inferior a -33o C - e a de ebulição, superior a 163o C. O sensor de temperatura é responsável por medir a temperatura do líquido de arrefecimento.

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

Devido à combustão, o motor aquece muito, e para remover o excesso de calor, o sensor de temperatura informa a temperatura no motor.

3- Converter a temperatura máxima e mínima encontradas e a diferença entre elas em outras duas escalas termométricas, a Kelvin, e Fahrenheit.

Temperatura máxima 197,3 ºC

Temperatura mínima -12,9 ºC

Celsius para fahrenheit = TC/5=(TF-32)/9

197,3/5=(TF-32)/9 = 5TF-160=1775,7

5TF=1775,7+160=1935,7

5TF=197,3

TF=1935,7/5

TF= 387,14

387,14ºF

Celsius em kelvin = K=TC+273

K=197,3+273=470,3

470,3ºK

Celsius para fahrenheit = TC/5=(TF-32)/9

12,9/5=(TF-32)/9

5TF-160= 116,1

5TF= 116,1+160

5TF= 276,1/5

-55,22ºF

Celsius em kelvin = K=TC+273

K=-12,9+273

K=-260,25ºK

Máxima= 197,3ºC --------- 470,3ºK---------- 387,14ºF

Mínima= -12,9ºC -------- -260,25ºK------- -55,22ºF

4- Comentar sobre a utilização dessas outras escalas em outros países.

O kelvin (símbolo: K) é o nome da unidade de base do Sistema Internacional de Unidades (SI) para a grandeza temperatura termodinâmica. O kelvin é a fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.1 É uma das sete unidades de base do SI, muito utilizada na Química e Física. É utilizado para medir a temperatura absoluta de um objeto, com zero absoluto sendo 0 K.

O kelvin recebeu este nome em homenagem ao físico e engenheiro irlandês William Thomson, que se tornou o primeiro Lorde Kelvin quando foi feito par do Reino Unido.

Enquanto unidade do SI, o kelvin não deve ser precedido pelas palavras grau ou graus ou o símbolo °, como em grau Celsius ou Fahrenheit. Isto acontece porque estas são escalas de medição, enquanto o kelvin é uma unidade de medição. Quando o kelvin foi introduzido em 1954 (na 10ª CGPM, Resolução 3, CR 79), recebeu o nome de grau Kelvin e símbolo °K; o símbolo do "grau" foi posteriormente removido em 1967 (13ª CGPM, Resolução 3, CR 104).

O símbolo para o kelvin é sempre um K maiúsculo e nunca é escrito em itálico. Há um espaço entre a grandeza numérica e o símbolo da unidade.

A ideia de se propor esta escala surgiu das discussões em torno de temperaturas máximas e mínimas que podem ser atingidas por um corpo. Verificou-se que não há, teoricamente, um limite superior para a temperatura que um corpo pode alcançar. Entretanto, observou-se que existe um limite natural para a mínima temperatura. Estudos realizados em grandes laboratórios mostraram que é impossível obter uma temperatura inferior a -273,15 °C. Esta temperatura é denominada zero absoluto. Na realidade, o zero absoluto é uma temperatura limite que não pode ser alcançada, tendo-se, entretanto, alcançado valores muito próximos a ela.

O grau fahrenheit (símbolo: °F) é uma escala de temperatura proposta por Daniel Gabriel Fahrenheit em 1724. Nesta escala o ponto de fusão da água é de 32 °F e o ponto de ebulição de 212 °F. Uma diferença de 1,8 grau fahrenheit equivale à de 1 °C. Esta escala foi utilizada principalmente pelos países que foram colonizados pelos britânicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de língua inglesa, como os Estados Unidos e Belize. E também, muito utilizada com o povo grego, para medir a temperatura de um corpo. Jakelinneh Devocerg, mulher francesa que criou a teoria "Fahrenheit Devocerg" que para passar de celsius para fahrenheit se usa sempre 1,8. Ex: f= 137* e c=20* f+137-20+c.1,8 fc=117.1,8=1,20202020 Para uso científico, há uma escala de temperatura, chamada de Rankine, que leva o marco zero de sua escala ao zero absoluto e possui a mesma variação da escala fahrenheit, existindo portanto, correlação entre a escala de Rankine e grau fahrenheit do mesmo modo que existe correlação das escalas kelvin e grau Celsius.

Passo 4 (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.

Resposta::Gasolina Massa específica = 0,66 Kh\dm3 Coeficiente de dilatação = 9,6 x 10-4 (20 - 220ºC) Ponto de fusão ºC = -95,3 Ponto de ebulição ºC = 68,74

Álcool Massa especifica = 0,79 Kg\dm3Coeficiente de dilatação = 1100 x 10-6(0 – 60ºC) Ponto de fusão ºC = -114,1 Ponto de ebulição ºC = 78,3

Baseado nos dados acima a gasolina e mais vantajosa abastecer nos horários em que a temperatura está mais fria, ou seja, pela manhã, já o álcool e mais vantajoso em horários com temperatura mais elevada.

ETAPA 2

Aula-tema: Primeira Lei da Termodinâmica.

Esta atividade é importante para você compreender a primeira Lei da Termodinâmica como Princípio da Conservação de Energia nas transformações ou processos termodinâmicos, reconhecendo o calor como uma forma de energia.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS

Passo 1

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

Resposta:

A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia e, apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.

Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:

1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);

2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema.

2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.

ΔU= Q – t

Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformação.

Aplicando a lei de conservação da energia, temos:

ΔU= Q – t à Q = ΔU + t

* Q à Quantidade de calor trocado com o meio:

Q > 0 à o sistema recebe calor;

Q < 0 à o sistema perde calor.

* ΔU à Variação da energia interna do gás:

ΔU > 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;

ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

* t à Energia que o gás troca com o meio

sob a forma de trabalho:

t > 0 a o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

t < 0 a o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

Passo 2

1- 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.

Resposta:

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 turbo 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;

_ 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.

Resposta:

Uma descrição detalhada da distribuição da energia no motor a combustão interna,

é apresentada por Heywood (1988), mostrando a transformação da energia química do

combustível nos diferentes processos de transferência de calor e de realização de,

trabalho.

Pode-se apreciar que somente uma parte do total da energia da combustão é transferida diretamente ao eixo. Aproximadamente 75% da energia do combustível são perdidos, sendo os restantes aproveitados na forma de trabalho (Bohacz, 2007).

Gerando energia a partir do calor

Agora cientistas das universidades do Oregon, Estados Unidos, e do Conselho de Pesquisas da Austrália, trabalhando conjuntamente, descobriram não apenas como recuperar essa energia perdida pelos motores a combustão, mas também como retirar energia das fontes geotérmicas, uma forma de geração de energia limpa e renovável disponível em áreas vulcânicas.

Os cientistas criaram um novo tipo de material termoelétrico - ou material termogerador, capaz de converter calor em energia elétrica - utilizando nano fios. "[...] dispositivos termoelétricos nano estruturados poderão ser práticos para aplicações como a recuperação do calor perdido nos motores de automóveis, resfriadores construídos diretamente dentro dos chips e refrigeradores domésticos mais compactos e silenciosos," explica Heiner Linke, um dos pesquisadores.

Ele e seu colega Tammy Humphrey descobriram que dois objetos podem ter diferentes temperaturas e ainda assim manterem o equilíbrio mútuo em nano escala. Esse é um fenômeno crucial para que se possa atingir o desempenho necessário para o uso prático dos materiais termoelétricos na geração de energia elétrica e na refrigeração.

Materiais termoelétricos

Imagine uma xícara de café sobre uma mesa: o café irá esfriar gradualmente porque as moléculas na xícara transferirão automaticamente o calor do café para a mesa, até atingir o equilíbrio térmico. Esse fenômeno é explicado pelas leis da termodinâmica: o calor irá sempre fluir do mais quente para o mais frio. O problema é que a energia gasta pelos elétrons para fazer essa transferência é simplesmente perdida.

Os materiais termoelétricos tentam recuperar essa energia convertendo-a em eletricidade. Mas eles não funcionam muito se o fluxo de calor for descontrolado. A descoberta feita por Humphrey e Linke envolve justamente o controle do movimento dos elétrons, utilizando materiais que são estruturados em nano escala.

Eles demonstraram que, se uma tensão elétrica for aplicada a um sistema elétrico.

Que tiver uma diferença de temperatura é possível controlar elétrons que tenham uma energia específica. Isto significa que, se o material nano estruturado for projetado para permitir apenas o fluxo desse tipo de elétron, atinge-se um novo tipo de equilíbrio, no qual os elétrons não migram espontaneamente do quente para o frio.

Como o sistema não ficará verdadeiramente em equilíbrio, o fluxo de elétrons pode ser revertido, permitindo que um equipamento funcione na eficiência máxima possível. Para os motores de carro, essa eficiência máxima teoria é conhecida como limite de Carnot.

Os pesquisadores acreditam que a tecnologia atual já possibilite que seus materiais nano estruturados criem equipamentos que atinjam 50% do limite de Carnot. Os mais eficientes materiais termoelétricos conhecidos hoje atingem apenas 15% desse limite.

O trabalho foi apresentado neste último dia 5 de Abril, na Conferência de Dispositivos em Nano escala e Integração de Sistemas, realizada em Houston, nos Estados Unidos.

Passo 4 (Equipe)

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.