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Apostila máquinas-térmicas-termodinâmica

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  1. 1. FÍSICA: Conceitos e Contextos Física Térmica Unidade 3: Gases e termodinâmicaCapítulo 10: Primeira Lei de Termodinâmica Tópico 5: Máquinas Térmicas Motor de Combustão Interna Andréa Simone Melo de Carvalho
  2. 2. Quando ouvimos a expressão: Máquinas Térmicas pensamos em máquinas a vapor, como osantigos trens e as caldeiras e, porque não,... as panelas de pressão.Mas, você sabia que os carros também são máquinas a vapor??Como assim?Os carros são motores a combustão, que utilizam álcool, gasolina ou diesel.E, como foram criados os motores a combustão?Vejamos um pouco de história... As máquinas térmicas com motores a explosão foram criadas ao longo do século XX. Estes motores a combustão interna atualmente usados nos carros utilizam-se do Ciclo de Otto.Agora é importante não confundir motores a combustão externa, comopor exemplo o motor Stirling onde os processos de combustão ocorrem forado motor aproveitando o calor dos gases da combustão, através dastransformações gasosas: 1) Compressão isotérmica; 2) Aquecimentoisocórico; 3) Expansão isotérmica e 4) arrefecimento isocórico. Esteaproxima-se do ciclo ideal sugerido por Sadi Carnot. Vejamos a história:
  3. 3. Ciclo de CarnotFoi desenvolvido por pelo engenheiro Sadi Carnot (1796-1832), o seu uso é apenas teórico. O cicloCarnot é um ciclo ideal, partindo de transformações de gases perfeitos. Seu funcionamento écomposto por duas transformações adiabáticas e duas isotérmicas alternadamente e isso permitemenor perda de energia (calor) para o meio externo (fonte fria). O rendimento desse ciclo éaproximadamente 72% o qual alias, nunca atingido por um motor termico. Este ciclo teoricocompõe as seguintes fases:1-2: compressão isotermica2-3: compressão adiabatica3-4: expansão isotermica4-1: expansão adiabaticaDescrição teórica: Primeira fase: expansão isotérmica (1-2) Uma massa gasosa é introduzida no cilindro e depois comprimida pelo pistão “temperatura constante”, sendo o cilindro esfriado durante esta fase. Segunda fase: expansão adiabática (2-3) Sendo interrompido o resfriamento do cilindro, continua-se a compressão rapidamente de modo que nenhuma troca de calor tenha lugar entre o gás e o cilindro.Figura 01 – Diagrama do ciclo de CarnotTerceira fase: compressão isotérmica (3-4)Ao passo que, durante a compressão isotérmica o cilindro deve ser resfriado, durante a expansãoisotérmica, este mesmo cilindro exige aquecimento para tornar a temperatura constante.Quarta fase: compressão adiabática (4-1)Continuando o repouso, faz-se cessar o reaquecimento do cilindro para que essa fase se efetue semtroca de calor com o cilindro e que a massa gasosa retome o volume e a pressão que possuía noinício da primeira fase.Já o ciclo de Otto é a versão utilizada pelos veículos automotores da atualidade.Ciclo Otto 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 em 1862 e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel. Motores baseados no ciclo Otto equipam a maioria dos automóveis convencionais e usam combustíveis leves como gasolina, álcool, gás natural.Figura02 – Representação dos principais componentes
  4. 4. Descrição Teórica O ciclo de Otto ideal se constitui dos seguintes processos: 1) ADMISSÃO isobárica = 0-1, pressão constante; Válvula de admissão aberta e Válvula de escape fechada. O pistão se desloca do PMS (ponto morto superior) ao PMI (ponto morto inferior) admitindo para dentro do cilindro a mistura combustível/ar. Figura03 – Diagrama Pressão X Volume2) COMPRESSÃO adiabática = 1-2, eleva a temperatura dos gases sem provocar a inflamação;Válvula de admissão fechada e Válvula de escape fechada.O pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a mistura. Antes de o pistão atingir o PMS,ocorre a faísca, dando origem à combustão.3) EXPLOSÃO: Combustão isocórica = 2-3, contribuição de calor provocado pela centelha (vela).A volume constante. A pressão eleva-se rapidamente;Válvula de admissão fechada Válvula de escape fechada.A combustão provoca a expansão dos gases que empurram o pistão, fazendo o se deslocar do PMSao PMI.Expansão adiabática = 3-4, parte do ciclo de transforma em trabalho;4) EXPULSÃO OU ESPAPE: Válvula de admissão fechada e Válvula de escape aberta.Abertura de válvula de escape =4-5, cessão do calor residual ao ambiente a volume constante;Exaustão isobárica = 5-0, esvaziamento da câmara. Baixa brutal de pressão.O pistão se desloca do PMI ao PMS, empurrando para fora os gases queimados.Após a expulsão dos gases o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita. Figura 04 – Demostração do processo mecânico
  5. 5. Agora é com você!Pesquisa sobre os cientistas e suas teorias relacionadas com o tema:TERMODINÂMICA. Relacione o cientista ao conceito físico relacionado. • James Watt – Conservação de Energia (Térmica/Elétrica) • Nicolas L. Sadi Carnot – Ciclo de Carnot (Máquina Térmica) • Nicolaus Otto – Ciclo de Otto (Motores à combustão interna) • Rudolf J. Emanuel Clausius (2ª Lei da Termodinâmica - Entropia)Pesquise: Sobre os diversos tipos de motores a combustão interna, como: odiesel , motores de 2 tempos, de 8 ou 16 válvulas...http://www.ebah.com.br/content/ABAAABbGcAD/ciclos http://www.alexfisica.com.br/blank/simuladores.htm
  6. 6. GLOSSÁRIO1ª Lei da Termodinâmica:Dentro de um sistema gasoso onde envolva trocas de energias, como: Calor (Q), TrabalhoMecânico (W) e Energia Interna (U), cumpre-se a Primeira Lei da Termodinâmica, que diz: ΔU = Q–W2ª Lei da Termodinâmica:É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio exterior,consiga transformar integralmente em trabalho o calor absorvido de uma fonte a uma dadatemperatura uniforme.”Kelvin-PlanckTransformação Isobárica: O motor realiza trabalho com o calor fornecido pela combustão, com Pi =Pf, mas com volume e temperatura variávies.Transformação Isovolumétrica: Vi = Vf, mas com pressão e temperatura variáveis.Transformação Isotermica: Ti = Tf , mas com pressão e volume variáveis.Pi x Vi = Pf x VfTransformação Adiabática: ΔQ = 0 Não há troca de calor com o sistema
  7. 7. REFERÊNCIASSANTANNA, BLAIDI; et al. Conexões com a Física. V. 2. 1. ed. - São Paulo: Moderna, 2010.LEMES, Pablo Henrique Carvalho. Ciclos.Arquivado no curso de Engenharia Mecânica daPUCPR. Curitiba, 2010. Disponível em:<http://www.ebah.com.br/content/ABAAABbGcAD/ciclos>. Acesso em: 06.abr.2012.GREF – Grupo de Reestruturação do Ensino da Física. Leituras de Física – Física Térmica. V.3Cap.18. São Paulo. Jun.1998. Disponível em: <http://www.if.usp.br/gref/termodinamica.htm>.Acesso em 04.abr.2012.
  8. 8. APÊNDICEPlano de aulasTERMODINÂMICA: Máquinas térmicas a combustãoPLANEJAMENTONesse planejamento sintético devem definir:ConteúdoIntrodução:Motor a combustãoObjetivoCompreender as transformações gasosas envolvidas nas etapas de trabalho do motor a combustão.Diferenciar o Ciclo de Carnot com o de Otto.Relacionar os ciclos à sua respectiva aplicação tecnológica.Compreender o conhecimento científico como útil para a humanidade.Tipos de textos (escrita, desenho, pinturas, etc).Escrita, imagens e signos.Recursos que serão utilizadosTexto digital com imagens estáticas e em movimentos.Links de pesquisa.

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