TERMODINAMICA

ETAPA 3

Passo 1

01 - Pesquisar em livros da área os diversos enunciados para a Segunda Lei da Termodinâmica, incluindo as concepções sobre a definição de entropia

Segunda Lei da termodinâmica

A transferência de calor de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca no sentido oposto, a menos que tenha comandado externo. Como o sistema tende a desordem, conclui que a entropia sempre tendera a aumentar. A variação da entropia pode ser determinada pela relação entre a quantidade de calor trocada e a temperatura absoluta do sistema.

02 Representar o diagrama de Ciclo de Carnot e verificar se esse ciclo pode ser proposto ao sistema de motor de explosão de um automóvel.

motor a explosão de um automóvel.

de Carnot

É um ciclo teórico constituído por duas transformações isotérmicas nas temperaturasT1 e T2, respectivamente das fontes quente e fria, alternadas com duas transformações adiabáticas.

1 e 2: expansão isotérmica à temperatura T1 (fonte quente). Nesta transformação o gás recebe a quantidade de calor Q1

2 e 3 : é a expansão adiabática, na qual a temperatura diminui para T2

3 e 4 : compressão isotérmica à temperatura T2 (fonte fria). Nesta transformação o gás cede a quantidade de calor Q2

4 e 1 : compressão adiabática na qual a temperatura aumenta para T1.

No ciclo de Carnot a relação Q2/Q1 é igual a T2/T1.

PASSO 2

Explicar, baseado na Segunda Lei da Termodinâmica, o que ocorre no motor de um automóvel para que o gás aquecido dentro de um cilindro sob pressão venha a colocar o carro em movimento. Discutir também como deve ser o desempenho de um motor que solta faísca “fora de tempo”.

Resolução:

Quase todos os carros atualmente usam o que é chamado de ciclo de combustão de 4 tempos para converter a gasolina em movimento. Separando os 4 tempos são:

1 Admissão

2 – Compressão

3 – Explosão e Expansão

4– Escapamento

Admissão:

O pistão desce enquanto aspira umamistura gasosa de ar e combustível que pode ser gasolina, gás ou álcool, que entra no cilindro através da válvula de admissão (os motores a diesel admitem apenas ar). Durante esse tempo a válvula de escape permanece fechada para que a mistura não saia. A pressão máxima atingida é menor que 1 atmosfera, mantendo-se constante (processo isobárico) e a temperatura fica entre 340 e 400K.

Compressão:

A válvula de admissão se fecha enquanto o pistão se move para cima, devido a inércia do virabrequim, comprimindo a mistura gasosa. Nesse tempo, além do aumento de pressão que fica entre 8 e 15 atm, há um aumento de temperatura que fica entre 600 e 750K, porém é um processo adiabático, pois não há transferência de calor nem para fora nem para dentro da mistura.

Explosão e Expansão:

Quando ocorre a máxima compressão uma centelha elétrica na vela de ignição provoca uma explosão que causa um aumento de temperatura, de 2300 a 2700K, nos gases resultantes e um aumento de pressão que fica entre 30 e 50 atm, no interior do cilindro, resultando na expansão da mistura gasosa. Também é um processo adiabático.

Escapamento:

No final da expansão a temperatura fica na faixa de 900 a 1100 K e a pressão fica na faixa de 4 a 6 atm. Abre-se então a válvula de escape e praticamente sem variar o volume, o gás que se encontra no interior do cilindro escapa para aatmosfera, reduzindo-se a pressão a 1 atm. A seguir, ainda com a válvula aberta, o pistão sobe, retomando o volume mínimo, expulsando quase todo o gás restante para a atmosfera. Assim se completou o ciclo, pois o volume e a pressão no interior do cilindro voltaram aos seus valores no início. Então, a válvula de admissão novamente se abre, reiniciando-se um novo ciclo.

Há conservação de energia nesses motores. No quarto tempo a mistura gasosa é eliminada pelo escapamento com temperatura maior do que antes da explosão. Logo, parte do calor de combustão é transformado em energia interna dos gases, além da troca de calor que ocorre entre a carcaça do motor e o ambiente. A parte restante do calor de combustão é devida a energia de movimento do pistão. No motor de combustão interna o trabalho (W) é realizado apenas no 3o tempo, quando os gases empurram o pistão para baixo. Nos demais tempos o pistão se movimenta devido a inércia do sistema ligado ao virabrequim. A 1a Lei da termodinâmica também é obedecida. Uma parte da energia do combustível é utilizada na realização de trabalho e a outra parte é transferida ao meio ambiente, em cada ciclo, sendo necessário, a cada reinício, uma nova dose de combustível, ou seja, de energia. O cálculo de rendimento para esses motores incluem as capacidades térmicas, pressão, volume, taxa de compressão, entre outrosparâmetros. Para motores Otto, o rendimento real situa-se entre 22 a 30%, enquanto que para os motores Diesel situa-se na faixa de 30 a 38%. As perdas térmicas se devem aos gases que escapam a altas temperaturas, à troca de calor entre o motor e o meio ambiente feita pelo sistema de refrigeração e ao atrito entre as peças.

Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a faísca é solta: o pistão deve estar em fase de compressão e próximo à posição de menor volume do cilindro, pois, nessa situação, o aproveitamento da energia liberada na explosão, para a realização de trabalho, é máximo. Nesse caso, diz-se que o motor está “no ponto”.

Num motor adiantado, a faísca provoca a explosão da mistura de ar e combustível antes do “ponto”. Desse modo, o movimento de subida do pistão é parcialmente freado, resultando numa perda de potência.

Num “motor atrasado”, a faísca provoca a explosão após o ponto de maior compressão. Nesse caso, parte do calor que seria utilizado para realizar trabalho é “perdida”, uma vez que na descida do pistão já ocorre o escape dos gases produzidos na combustão, o que resulta também numa perda de potência.

Passo 3

Entrevistar um mecânico de automóveis para identificar os processos térmicos presentes no funcionamento do motor a combustão interna, a partir das sugestões de questionamentos apresentadas na bibliografia complementar indicada neste passo:

ETAPA4

Pesquisar os tipos de turbo-compressores disponíveis para motores automotivos e verificar as características operacionais, analisar os valores fornecidos para a potência consumida no compressor e a vazão de ar fornecida ao motor. Estimar, também, a eficiência isoentrópica dos componentes do equipamento.

Turbo-compressor é um equipamento adicionado aos motores de combustão interna que aproveita os gases de escape para injetar ar nos cilindros (câmara de combustão). Um turbo-compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que giram de um lado como turbina e do outro como compressor.

O Turbo-compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que funcionam como turbina (lado esquerdo) e compressor (lado direito) conforme ilustração

O turbo-compressor fica ligado ao coletor de escape de um motor a explosão (ou motor a combustão interna), e aproveita a energia dos gases de escape gerados no motor para girar uma turbina conectada por meio de um eixo comum a um rotor o qual tem a função de bombear ar para os cilindros. Esse rotor é um compressor centrífugo , responsável por capturar o ar atmosférico e comprimi-lo na entrada da admissão ou do coletor de admissão do motor através de mangueiras ou tubulações de alta pressão.

Com o aumento da densidade do ar decorrente da compressão, pode-se adicionar mais combustível à esta mistura que será encaminhada até a câmara de combustão do motor, fazendo com que mais trabalho seja produzido a cada ciclo. Por exemplo, se um turbo-compressorestivesse trabalhando com uma pressão de aproximadamente 1 kg/cm², o motor estaria admitindo 2 atmosferas, ou seja, o dobro de ar ocupando num mesmo espaço físico sem alterar as dimensões do cilindro. Deste modo, dever-se-ia misturar o dobro de combustível neste ar (para que a mistura permaneça estequiométrica), que seria encaminhado para dentro da câmara de combustão. Neste caso, conseguir-se-ia quase dobrar a potência de um motor. Na prática não se conseguiria dobrar a potência pois o processo de compressão também causa aumento de temperatura do ar, o que causa o efeito oposto: redução de densidade. Para compensar esse efeito geralmente usa-se um trocador de calor chamado intercooler entre o compressor e a admissão

O turbo-compressor pode ser: de fluxo axial, radial e de gás de escape.

Dispositivo de sobrealimentação de fluxo axial

Turbo-compressores de fluxo axial são definidos pela maneira na qual o combustível flui através da turbina. Com turbo-compressores de fluxo axial do fluxo de combustível vem através da roda em uma direção axial. Com este tipo de dispositivo de sobrealimentação, expansão do gás de escape cria uma saída o ajuda a turbina para girar o compressor. Como o tamanho do veículo é importante na determinação do turbo-compressor correto do veículo, é importante considerar que os turbo-compressores de fluxo axial são maiscomumente usados com veículos com um diâmetro de roda de 300 mm e acima e não seria adequados para veículos menores.

Turbo-compressor de fluxo radial

Com uma vazão de gás que usa os mesmos princípios como o Turbo de fluxo axial, o Turbo de fluxo radial é diferenciado pela estrutura de influxo de gás exclusivo. O influxo de gás centrípeta é dirigido de fora em uma direção radial e define este Turbo para além do modelo de fluxo axial. Geralmente utilizada em veículos com uma rodas de diâmetro inferior ou igual a 160 mm, este tipo de dispositivo de sobrealimentação pode aumentar o poder de um veículo de até n/a cavalos de potência.

Turbo-compressor de gás de escape

Os benefícios de turbo-compressores são muitos, de aumento de velocidade, potência e funcionalidade de motor, mas há benefícios ambientais, também, como o consumo de gás diminuiu. Turbo-compressores de gás de escape têm outra vantagem. Com carregadores de turbo de gás de escape, os gases de escape do veículo é reciclado no compressor para fornecer energia para a turbina. Para fazer isso, um compressor é montado ao lado da turbina do mesmo eixo. A turbina desenha nos gases de escape, que caso contrário iria para a atmosfera, comprime e ele alimenta o motor para fornecer energia extra. Ao contrário de turbo-compressores mecanicamente avançados, nenhum mecânico de engate ocorre no motor.Eficiência Isentrópica

A eficiência isentrópica está relacionada ao processo de compressão adiabático e reversível. A equação ilustra a eficiência de cada estágio de compressão:

Onde ho é a entalpia e t0 é a temperatura de estagnação. Os índices 1 e 3 referem-se aos parâmetros de entrada do rotor e da saída do estator, respectivamente, e o índice s refere-se ao processo isentrópico.

A eficiência real do estágio é menor que a eficiência isentrópico visto que e o aumento da temperatura real em um estágio é maior que o aumento de temperatura que o estágio teria em um processo ideal.

PASSO 1

Representar o diagrama p – v idealizado para o Ciclo de Otto num motor a gasolina de 4

tempos e explicar o que ocorre em cada um dos processos nesse ciclo.

O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido por Beau de Rochas e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel.

Este ciclo termodinâmico está presente, por exemplo, em motores a combustão interna, que utilizam combustíveis com alto poder calorífico e que queimam rapidamente (explosão), elevando a pressão no interior do cilindro enquanto o volume permanece constante. Um motor deautomóvel movido a gasolina ou álcool funciona sob este ciclo.

Motores baseados neste ciclo equipam a maioria dos automóveis de passeio atualmente. Para esta aplicação, é possível construir motores a quatro tempos mais eficientes e menos poluentes em comparação aos motores a dois tempos, apesar do maior número de partes móveis, maior complexidade, peso e volume, comparando motores de mesma potência.

O ciclo ideal se constitui dos seguintes processos:

1.Admissão isobárica 0-1.

2.Compressão adiabática 1-2.

3.

Combustão isobárica 2-3, expansão adiabática 3-4.

4. Abertura de válvula 4-5, exaustão isobárica 5-0

PASSO 2

Mostrar que o rendimento do ciclo para uma mistura de ar com vapor de gasolina (tratada

como gás ideal) é dado por: η =1−1

r( )v

k−1

onde rv é a taxa de compressão e a k é a coeficiente adiabática da mistura. Explicar o

significado de cada termo na equação.

Conforme mostra a figura abaixo, o ciclo Otto inicia no ponto morto inferior - estado 1 - quando o pistão inicia a compressão da mistura gás/combustível e termina no ponto morto superior - estado

2.

Neste ponto, a mistura é detonada e a pressão aumenta subitamente e o ciclo passa para o estado

3. Este aumento de pressão força o pistão na direção do ponto morto inferior - estado

4-produzindotrabalho.

A partir do momento em que as válvulas de exaustão são abertas, os gases de exaustão são liberados para aatmosfera.

O trabalho realizado pelo pistão é dado pelo produto do volume de deslocamento pela pressão média efetiva do ciclo (mean effective pressure) - Pmep.

O rendimento do ciclo Otto pode ser calculado, a partir do Ciclo de Carnot, da seguinte maneira:

Considerando a expansão e a compressão como sendo processos isontrópicos, que V1=V4 e que V3=V2, teremos que:

Onde:

k é a relação de calor específico = Cp/Cv;

r é a taxa de compressão

PASSO3

Calcular o rendimento para k=1,4 e r=10, que são condições para compressão máxima permissível para evitar pré-ignição.

Resolução:

= 60%

Introdução

Muitos processos termodinâmicos ocorrem naturalmente em um dado sentido, mas não ocorrem em sentido oposto. Por exemplo, o calor sempre flui de um corpo quente para um corpo frio, nunca em sentido contrário. O fluxo de calor de um corpo frio para um corpo quente não viola a primeira lei da termodinâmica, a energia seria conservada. Porém, isso não ocorre na natureza. Por que não? É fácil converter completamente a energia mecânica em calor; isto ocorre sempre que usamos o freio para parar um carro. Indo no sentido inverso, existem muitos dispositivos que convertem parcialmente o calor em energia mecânica (por exemplo, o motor de um automóvel). Porém, nunca nenhum inventor conseguiu construir umamáquina capaz de converter completamente uma quantidade de calor em energia mecânica. Por que não?

A resposta para estas duas perguntas diz respeito aos sentidos dos processos termodinâmicos é dada pela segunda lei da termodinâmica. Esta Lei determina limites fundamentais para o rendimento de uma máquina ou de uma usina elétrica. Ela também estipula limites para a energia mínima que deve ser fornecida a um refrigerador. Logo, a segunda lei da termodinâmica é diretamente relevante para muitos problemas práticos importantes.

Podemos também enunciar a segunda lei em termos do conceito de entropia, uma grandeza que mede o grau de desordem de um sistema. A ideia de entropia ajuda a entender por que a tinta que se mistura com água não pode jamais ser separada espontaneamente e qual á a razão pela qual uma grande quantidade de processos aparentemente possíveis nunca ocorre na natureza.

Neste trabalho também vamos ver que máquinas térmicas são dispositivos que, operando em ciclo, retiram energia na forma de calor de uma fonte quente, como por exemplo: gás ou vapor em expansão térmica, e a transfere para uma fonte fria realizando trabalho. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor para a fonte fria. Como ela opera em ciclo, a substância de trabalho deve passar por uma série fechada deprocessos termodinâmicos, retornando ao seu ponto de partida ao final de cada ciclo.

PASSO 4

1 Elaborar um relatório intitulado Aplicação da termodinâmica no estudo de um motor de automóvel, com o conteúdo desenvolvido nas etapas desta ATPS e de acordo com o indicado no item Padronização desta ATPS.

Conclusão

Neste trabalho concluímos que a segunda lei da termodinâmica envolve o funcionamento das máquinas térmicas, ou seja, situações em que o calor é transformado em outras formas de energia.

O estudo das máquinas térmicas deixou os físicos bastante intrigados com situações que não ocorriam de maneira esperada, mesmo não violando a Lei da conservação de Energia.

Uma dessas situações que não ocorriam era a passagem espontânea de calor de um corpo frio para um corpo quente, o que sempre ocorre é o inverso, passagem espontânea de calor de um corpo quente para um corpo frio. Alguém poderia citar o refrigerador como a passagem de calor da região fria para uma região quente, mas não é espontâneo, para que ocorra é necessária à utilização de um motor que realize o trabalho.

A outra situação que não ocorre é a transformação integral de calor em trabalho. As máquinas térmicas trabalham utilizando duas fontes de temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviada a fonte fria. Não é possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho.

Foram essas duas situação também chamadas de proibições que deram origem a segunda lei da termodinâmica:

O calor flui espontaneamente de um corpoquente para um corpo frio, o inverso só ocorre com a realização de trabalho e nenhuma máquina térmica que opera em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transforma-lo integralmente em trabalho.

Fazendo uma comparação entre a primeira e a segunda lei da termodinâmica, podemos dizer que enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.

Conclui-se também que uma máquina térmica necessita de uma fonte quente de onde retira-se o calor, o qual transformará em trabalho e o que não é aproveitado para a realização do trabalho a máquina rejeita para uma fonte fria