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ETAPA 1 / PASSO 1:

Termodinâmica:

“A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza.” (Acesso em 27/09/2014 as 23h43m. http://www.brasilescola.com/fisica/termodinamica.htm).

“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.” (Acesso em 27/09/2014 as 23h43m http://conceito.de/termodinamica).

Como vimos pelas definições dadas a cima a termodinâmica nada mais é do que um estudo das relações entre o calor trocado através da pressão, volume e temperatura.

Sistema Termodinâmico:

“Um sistema termodinâmico compreende um dispositivo ou uma combinação de dispositivos que contem uma quantidade de matéria que esta sendo estudada.” (Introdução á termodinâmica para engenharia – Sonntag, Richard E. e Borgnakke, Claus)

Origem etimológica:

A palavra termodinâmica vem do grego, therme, significa "calor", dynamis, significa "potência". (Acesso em 02/10/2014 as 15h32m http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica).

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:

Heron de Alexandria – “Ficou conhecido por inventar um mecanismo para provar a pressão do ar sobre os corpos, que ficou para a história como o primeiro motor a vapor documentado”.

Nicolas Léonard Sadi Carnot - “ O engenheiro francês iniciou sua investigação sobre as propriedades dos gases, em especial a relação entre pressão e temperatura”.

James Watt – “Construtor de instrumentos científicos, destacou-se pelos melhoramentos que introduziu no motor a vapor, que se constituíram num passo fundamental para a Revolução Industrial”.

Antoine Laurent de Lavoisier – Foi o 1º a enunciar o principio da conservação da matéria.

Etapa 1 / Passo 2

Motor de combustão interna:

O sistema de arrefecimento de um motor de combustão interna não deixa que o sobreaquecimento proporcione um mal funcionamento ao motor. Os fluidos que diminuem a temperatura do motor podem ser divididos em agua, ar ou óleo.

“Enquanto o motor não atinge sua temperatura ideal de funcionamento, o líquido de arrefecimento circula apenas por um pequeno circuitou, que percorre somente as galerias do motor. Este circuito é controlado pela válvula termostática. Quando a temperatura é alcançada (85ºC a 95ºC), esta válvula abre-se e então o líquido de arrefecimento começa a circular pelo circuito completo. Neste circuito, passa pelo radiador. Ali, o ar exterior e a corrente de ar gerada pelo ventilador baixam a temperatura do líquido de arrefecimento.

No sistema de refrigeração por ar a necessidade de ar é cerca de 30 % inferior à dos sistemas refrigerados a água, pois a transmissão do calor para o ambiente é mais direta”.

Motor de Carro:

Radiador

A função do radiador é fazer a troca de calor da agua aquecida pelo motor com o ar ambiente assim deixando o motor com temperaturas adequadas para o bom funcionamento.

A capacidade de dissipação de calor de um radiador é dada pela equação:

• Em que Q W é o fluxo de fluido refrigerante.

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.

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Etapa 1 / Passo 3

O fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etileno-glicol (C2H6O2).

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.

( informação do site http://www.tecnoinjecao.com.br/injecao_eletronica em acesso no dia 01/10/2014 as 10h00m)

Temperatura -12ºC para congelamento e 197.3ºC para ebulição

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.

ºK = ºC + 273.15 ºK = º-12 + 273.15 ºK = 261.15

ºK = ºC + 273.15 ºK = 197.3 + 273.15 ºK = 470.45

ºF = ºC * 1.8 + 32 ºF = -12 * 1.8 + 32 ºF = 21.8

ºF = ºC * 1.8 + 32 ºF = 197.3 * 1.8 + 32 ºF = 387.14

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.

Etapa 1 / Passo 4

A gasolina é um otimo exemplo para enterdermos, pelo fato de termos um coeficiente de dilatação (γ = 1,2 x 10-3 °C-1), onde o volume é o que se conta na hora de pagar e não a massa de combustivel, sendo assim é mais vantajoso abastecer com gasolina em horarios em que essa massa de gasolina ocupa menor volume.

“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

Definição da 1ª Lei da Termodinâmica:

“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:” ( Acesso em 03/10/2014 as 10h57m http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/1leidatermodinamica.php)

Equação da 1º lei da termodinâmica:

Q=t+ ΔU

onde:

Q = calor

t = trabalho

ΔU = energia interna do sistema

Etapa 2 / Passo 2

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)

( Acesso em 02/10/2014 as 11h57m http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema103/Aula3_1.pdf)

Resposta da parte 2 do passo 2:

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

(informações analisadas em acesso ao documento http://www.pei.ufba.br/novo/uploads/biblioteca/Dissertacao_de_Mestrado_PEI_Marcio_Carvalho.pdf em 01/10/2014 as 15h00m)

Etapa 2 / Passo 3

Calor desperdiçado

Os equipamentos de computadores, motores elétricos e motores a combustão dos automóveis usam uma pequena parcela de energia que consomem. Estimam que o desperdício de energia chegue facilmente a 80% nos motores a combustão dos carros em forma de calor.

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 equipamento tem como objetivo usar esse calor desperdiçado para gerar energia elétrica para o resfriamento 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

Sistema de refrigeração ativada termicamente: 'o sistema que o aparelho irá usar. O aparelho combina um ciclo de compressão de vapor com um "ciclo Rankine orgânico" - ambas as tecnologias de conversão de energia bem conhecidas.

A eficiência vem praticamente de micro canais que aperfeiçoam a troca de calor. O novo aparelho conseguiu transformar 80% de cada quilowatt-hora de calor desperdiçado em um quilowatt de capacidade de resfriamento, sendo assim 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.

(material retirado de um estudo disponibilizado em http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=refrigeracao-termica-transforma-calor-eletricidade#.VC68HXd0i68, acesso em 01/10/2014 as 15h00m)