ATPES TERMODINÂMICAS

ATPS DE TERMODINÂMICA

Introdução:

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.

ETAPA 1

Passo 1(equipe)

1-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 sistemas de arrefecimento encontrados em carros: arrefecimento a líquido 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.

A água é um dos fluidos mais eficazes na conservação de calor, 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.

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

113° C

Passo 2 (Equipe)

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

Resposta:

Q= m.c.∆T

m.cágua.∆T = m.car∆T

m.água = c.água

m.ar C.ar

c.água = 4.186 J\Kg.K = 4.186 J\Kg.K

c.ar = 1.000J\Kg.K

Logo,

São necessários 4.186 J\Kg. K de

ar para proporcionar a mesma refrigeração da água.

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.

Resposta: O principal soluto nos líquidos de arrefecimento é o etileno glicol, (1, 2

etanodiol), álcool de fórmula HO-CH2CH2-OH. A sua temperatura de congelamento é de -12,9oC, e a de ebulição é 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.

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.

Resposta:

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- Comentário sobre a utilização dessas escalas em outros países:

A escala Celsius é usada em quase todo o mundo cotidianamente, apesar de ter sido chamada de centigrama até o final de 1980 e início de 1990, principalmente em previsões do tempo em redes de rádio e televisão europeias como a BBC, a ITV, e RTÉ.

A escala Fahrenheit 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

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.

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\dm3

Coeficiente 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

Passo 1 (equipe)

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. 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 seguinte equação:

Equação: (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 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

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

Passo 2 (equipe)

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)

Passo 3 (equipe)

1- 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;

_ 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 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.

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 nanofios. "[...] dispositivos termoelétricos nanoestruturados 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 nanoescala. 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 nanoescala.

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 nanoestruturado 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 nanoestruturados 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 Nanoescala e Integração de Sistemas, realizada em Houston, nos Estados Unidos.

Bibliografia

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

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

Shah, R. Compact heat exchangers. In: The CRC handbook of

mechanical engineering. Kreith, F. et Goswami, D. Y. (ed.). Boca

Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005

Fundamentos de temperatura de calor e de massa. Inclopera/DeWitt/Bergman/Lavine,

6 ª. ed

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