Relatorio Motor de stirling

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<p>Campos Salvador -Paralela</p><p>Elaine Jouse da Cruz da Encarnação -202051143452</p><p>Everton Dantas –202202963471</p><p>Felipe Correa Cardoso-202104647077</p><p>Jean Santana –202203293095</p><p>Maicon Ramos-202110025422</p><p>Projeto Termodinâmica</p><p>MOTOR DE STIRLING</p><p>Salvador 2022</p><p>Elaine Jouse da Cruz da Encarnação -202051143452</p><p>Everton Dantas–202202963471</p><p>Felipe Correa Cardoso-202104647077</p><p>Jean Santana –202203293095</p><p>Maicon Ramos-202110025422</p><p>Projeto Termodinâmica</p><p>MOTOR DE STIRLING</p><p>Relatório técnico apresentado como requisito parcial na obtenção de aprovação na disciplina de Física teórica experimental- Fluidos, calor, oscilações na Uniruy Wyden.</p><p>Professor :Moisés Oliveira.</p><p>Salvador -2022</p><p>Resumo</p><p>Este relatório tem como objetivo ver o princípio de funcionamento de um motor Stirling e o embasamento teórico que o engloba, a 2º lei da termodinâmica e o ciclo termodinâmico. Nos ajudando na compreensão dos assuntos abordados em sala de aula.</p><p>Os dados aqui apresentados foram observados através da criação de um protótipo do motor Stirling, o qual permitiu a vivência da montagem a execução como também a coletagem de dados importantes necessários para fazer a análise proposta pela atividade.</p><p>Palavras-chave: Termodinâmica, ciclo termodinâmico, protótipo, motor Stirling.</p><p>Sumário</p><p>Introdução	5</p><p>Definição	6</p><p>Motor de Stirling	7</p><p>Princípio de funcionamento.	8</p><p>Eficiência	9</p><p>Vantagens do motor de Stirling	9</p><p>Desvantagens do motor de Stirling	10</p><p>O experimento prático (Protótipo)	10</p><p>Criação do motor	11</p><p>Considerações finais	16</p><p>Referências	16</p><p>Introdução</p><p>Com a realização de experimentos pode-se agregar vivência com a teoria e compreender de forma mais clara a sua aplicabilidade.</p><p>Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas. Conceitua -se ciclo termodinâmico a sequência repetitiva de transformações físicas produzidas por um sistema a fim de realizar trabalho. Os ciclos termodinâmicos são a base do funcionamento de motores de calor, que operam a maioria dos veículos no mundo.</p><p>No qual neste experimento mostrará a funcionalidade de um dos ciclos termodinâmicos o ciclo de Stirling e sua aplicabilidade através do protótipo do motor de Stirling.</p><p>Definição</p><p>A Segunda Lei da Termodinâmica trata da transferência de energia térmica. Isso quer dizer que ela indica as trocas de calor que têm tendência para igualar temperaturas diferentes (equilíbrio térmico), o que acontece de forma espontânea.</p><p>Dois enunciados, ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck:</p><p>Enunciado de Clausius: “O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.” Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.</p><p>Enunciado de Kelvin-Planck: “É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.” Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.</p><p>É expressa pela seguinte fórmula:</p><p>Fórmula para calcular rendimento, de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica</p><p>Onde,</p><p>η: rendimento</p><p>QA: calor fornecido por aquecimento</p><p>QB: calor não transformado em trabalho</p><p>A diferença dos calores de entrada e saída é o trabalho.</p><p>Substituindo na fórmula do rendimento, também podemos escrever:</p><p>Essa lei se estabeleceu a partir dos estudos de Sadi Carnot (1796-1832). Incentivado pela Revolução Industrial, o físico francês estudava a possibilidade de aumentar a eficiência das máquinas.</p><p>As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época. Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho).</p><p>Analisando as máquinas térmicas, Carnot descobriu que elas eram mais eficientes quando havia transferência de calor da temperatura mais alta para a temperatura mais baixa. Isso acontece sempre nessa ordem, afinal a transferência de energia térmica é um processo irreversível.</p><p>Isso quer dizer que o trabalho depende da transferência de energia térmica, lembrando que não é possível transformar todo calor em trabalho.</p><p>Desta forma, Carnot mostrou que o máximo rendimento depende apenas da diferença entre as temperaturas da fonte quente e fria.</p><p>Sendo T2 a temperatura da fonte fria e T1 da fonte quente.</p><p>Diante deste enunciado, temos que se a temperatura T2 fosse igual à 0 K (kelvin), ou, zero absoluto, o rendimento seria de 100%.</p><p>Foi com base nas ideias de Carnot, que Clausius e Kelvin basearam seus estudos sobre a Termodinâmica.</p><p>Motor de Stirling</p><p>O motor Stirling é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro.</p><p>Eles visavam a substituição do motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. No início do século 19, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão.</p><p>Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro. É referido</p><p>também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho. O motor Stirling é um motor térmico que trabalha a partir da energia proveniente da expansão e contração de um gás. De acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as propriedades do gás: temperatura (T), pressão (P) e volume (V) com o número de moles (n), temos o seguinte:</p><p>PV = nRT</p><p>onde R é a constante universal dos gases.</p><p>Ou seja, todo ciclo termodinâmico envolve transformações com a variação de uma destas três grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas de acordo com a equação.</p><p>Princípio de funcionamento.</p><p>Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinâmico composto de 4 fases e executado em 2 tempos do pistão.</p><p>1-Expansão isotérmica – processo em que o ar presente no motor sofre uma expansão aproximadamente isotérmica, absorvendo calor de fontes externas (queima de carvão, velas etc.);</p><p>2-Resfriamento isovolumétrico – o ar presente no motor transfere calor para o meio externo, mantendo-se a volume constante;</p><p>3-Compressão isotérmica – processo em que o ar contido dentro do cilindro do motor é contraído e sua pressão aumenta grandemente, em um processo que ocorre em temperatura constante;</p><p>4-Aquecimento isovolumétrico – o último processo ocorre a volume constante e envolve transferência de calor da fonte quente para o ar contido dentro do cilindro do motor.</p><p>Este é o ciclo idealizado (válido para gases perfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das 000máquinas térmicas.</p><p>O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansão e contração cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar. O hélio ou hidrogênio pressurizado (até 15 MPa) são empregados nas versões de alta potência e rendimento, por serem gases com condutividade</p><p>térmica mais elevada e menor viscosidade, isto é, transportam energia térmica (calor) mais rapidamente e têm menor resistência ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrário dos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor; trata-se, portanto, de uma máquina de ciclo fechado.</p><p>Eficiência</p><p>Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível. Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e</p><p>as máquinas a vapor (eficiência entre 20% e 30%). A fim de diminuir as perdas térmicas, geralmente é instalado um "regenerador" entre as câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) fica armazenado para a fase seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira a eficiência termodinâmica. Há 3 configurações básicas deste tipo de motor: Alfa - com cilindros em V; Beta - com êmbolos coaxiais num mesmo cilindro e Gama - com cilindros em linha (ver links externos).</p><p>Existem modelos grandes com uso prático e modelos didáticos, minúsculos, acionados até pelo calor de uma mão humana pois basta ter uma diferença significativa entre as temperaturas do motor para que haja o trabalho.</p><p>Podendo ser calculada por:</p><p>R=1–TF/TQ</p><p>Sendo:</p><p>R: Rendimento do motor;</p><p>TF: temperatura da câmera mais baixa (em Kelvin);</p><p>TQ: temperatura da câmara mais elevada (em Kelvin);</p><p>Vantagens do motor de Stirling</p><p>Capacidade de utilização de vários combustíveis: Os motores Stirling podem utilizar qualquer tipo de combustível ou fonte de calor. Sendo variável o rendimento em função da fonte de energia. O motor pode funcionar sem a utilização de combustíveis fósseis;</p><p>Funcionamento silencioso: nos motores Stirling não há válvulas, nem muitos elementos móveis ou explosões periódicas, o que causa um baixíssimo nível de ruído e vibração;</p><p>Baixo desgaste interno e consumo de lubrificante: os produtos da combustão não entram em contato direto com as partes móveis do motor (combustão externa). Por conseguinte, não há contaminação do lubrificante como nos motores Diesel. A maior dificuldade nos motores de combustão interna é efetuar a lubrificação dos pistões com perfeita vedação em temperaturas elevadas, já nos motores Stirling não há este problema, as temperaturas são menores e as paredes do motor podem ser refrigeradas o que permite inclusive o uso da água como lubrificante no lugar dos óleos;</p><p>Diferentes arranjos físicos: os elementos essenciais num motor Stirling são: dois cilindros, um para expansão e o outro para compressão e três trocadores de calor. Estes, aparentemente componentes simples, podem ser dispostos de diversas maneiras possibilitando uma grande adequação ao espaço físico.</p><p>Desvantagens do motor de Stirling</p><p>Custo: é a principal desvantagem sem dúvida alguma. O motor Stirling ainda é aproximadamente duas vezes mais caro se comparado a um motor Diesel de mesma potência. O que encarece a fabricação é a produção dos trocadores de calor ideais;</p><p>Perfeita vedação: os motores Stirling necessitam de boa vedação das câmaras que contém o gás de trabalho para evitar a contaminação do gás de trabalho pelo lubrificante. O rendimento do motor é normalmente maior com altas pressões, conforme o gás de trabalho, porém quanto maior a pressão de trabalho maior é a dificuldade de vedação do motor. Como exemplo pode-se citar o uso de hidrogênio, um gás cuja molécula é de reduzido tamanho trabalhando em altas velocidade e pressão (20MPa).</p><p>O experimento prático (Protótipo)</p><p>Materiais usados para criação do motor de Stirling:</p><p>- Lamparina a óleo;</p><p>- 2 CDS ou DVDS usados;</p><p>- Cola branca e cola quente;</p><p>- Latas: 2 de alumínio, uma de atum, e 2 latas de leite em pó;</p><p>- Esponja de aço;</p><p>- 2 arruelas;</p><p>- 3 clipes grandes;</p><p>- Canudo;</p><p>- Bexiga de festa;</p><p>- 1 garrafa de água;</p><p>- 2 elásticos;</p><p>- Agulha fina;</p><p>- Lixa;</p><p>- Tesoura;</p><p>- 2 conectores de chuveiro, um de 25 e outro de 30 amperes;</p><p>- Linha de pesca N°05;</p><p>- Broca de ferro de 2mm + furadeira;</p><p>- Água gelada;</p><p>Como funciona o motor?</p><p>O motor Stirling funciona através do calor, sem perdas de gases para o exterior do motor. É um motor considerado simples em relação ao funcionamento, pois, funciona com a alternância entre o aquecimento e o resfriamento, expansão e contração do gás.</p><p>Criação do motor</p><p>Apesar de ser considerado um motor de funcionamento simples, mas, que na hora da montagem qualquer erro ou falha na criação do projeto influencia em todo o sistema fazendo não funcionar o motor. Durante a criação do projeto apresentaram-se algumas dificuldades, uma delas a perda de gases que acarretava diretamente na não funcionalidade do motor, o motor com a perda do gás perdia força e com isso não conseguindo manter-se funcionando.</p><p>Passo a passo:</p><p>1° Passo - fazer a câmara do motor (aonde vai acontecer o trabalho do ar)</p><p>Para isso foi preciso pegar a lata e corta a tampa, depois, pegar um alicate e tirar as rebarbas que ficaram com o corte da tampa. Pegamos a lata de leite ninho e cortamos o fundo na largura da lata que usamos para fazer a câmara, depois encaixamos a lata de cerveja que usamos na criação da câmara no corte que fizemos na lata de leite ninho e colamos uma na outra.</p><p>2° Passo - fazer a roda para fazer a ligação do motor</p><p>Para isso, pegamos os 2 CDS e colamos um ao outro com cola branca, depois de secar, pegamos 2 arruelas e colocamos uma em cada lado da roda usando cola quente. Agora foi necessário pegar o conector de chuveiro e retirar as duas peças de metal, tiramos um parafuso de cada uma dessas peças e uma dessas peças foi colocada no centro das arruelas usando a cola quente deixando a parte do parafuso para fora, depois disso, guardamos a outra peça junto com o CD.</p><p>3° Passo – Nesse passo deve ser feita o pistão de esponja de aço (Bom Bril)</p><p>Pegamos a esponja de aço e abrimos e cortamos numa faixa de 5 CM e enrolamos no canudo, depois pegamos um clipe e fizemos uma argola no começo do clipe e depois dessa argola contamos 5 cm e fizemos um espiral e colocamos essa peça no lugar do canudo, depois passamos o fio de pesca na argola, após este processo, colocamos o pistão dentro da lata e vimos se ele estava correndo livre, mas próximo a borda da lata.</p><p>4° Passo - criação de outro pistão, agora, de bexiga.</p><p>Usando uma garrafa de água mineral, cortamos o gargalo da garrafa e lixamos para tirar as rebarbas do corte, depois, furamos o centro da rampa com uma agulha para passagem do fio de pesca, passando ele justo, mas sem atrito. Furamos mais dois</p><p>pontos na tampa (um ao lado direito do primeiro furo e outro ao lado esquerdo do primeiro furo) esses dois furos mais largos aonde passamos um clipe de dentro para fora, colando por dentro com cola quente. Agora pegamos a bexiga e cortamos depois do pescoço da bexiga, e depois fazemos um outro corte no fundo em um tamanho de 5 mm mais ou menos. Encaixamos a bexiga na rosca da garrafa passando a parte mais larga e depois o menor corte, colocando um elástico para vedar a saída de ar e depois fechamos a tampa, agora encaixando a bexiga em cima da lata, tendo sido importante ter deixado a tampa centralizada e a bexiga esticada, para finalizar colocamos outro elástico para prender e vedar a tampa da lata.</p><p>5° Passo - criação do virabrequim,</p><p>Usamos 1 clipe, conectores de 25 amperes, uma régua, 1 broca de 2 mm e furadeira. Depois de deixarmos o clipe reto, fizemos algumas marcações para fazer o virabrequim e colocar os conectores. Usamos uma lata para sustentar o virabrequim e manter ele na posição, ligado ao virabrequim foi a roda (volante) que fez a partida do motor, fazendo o motor girar.</p><p>6° Passo – Pegamos uma lata de leite em pó e fizemos furos do lado para passagem do ar aonde a lamparina a óleo vai está passando calor para o motor.</p><p>Considerações finais</p><p>Conseguimos depois de muito trabalho, esforço, dificuldades na montagem, conseguimos finalizar o projeto colocando o motor</p><p>para funcionar por 1 minuto e 30 segundos sem parar, após um furo na bexiga acabou perdendo o ar que era o trabalho de energia que fazia com que o motor funcionasse corretamente. Estamos felizes por esse desafio que conseguimos concluir e além disso aprender assimilar de forma prática as aplicações da 2ª lei da termodinâmica.</p><p>Referências</p><p>https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.php</p><p>https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/motor-stirling.htm</p><p>https://www.scielo.br/j/qn/a/S6gHk6qX7spNmBpf8kJNhph/?lang=pt</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.jpeg</p><p>image7.jfif</p><p>image8.jfif</p><p>image9.jfif</p><p>image10.jfif</p><p>image11.jfif</p><p>image1.png</p><p>image2.jpeg</p>