Trabalho Físico Química

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Instituto Federal Goiano – Campus Rio Verde
Físico – Química I
Docente: Carlos Frederico
Discente: Thalyta do Prado Carvalho
Rio Verde - Junho 2014
CICLO DE FUNCIONAMENTO DE MOTOR A COMBUSTÃO
Introdução ao Motor de combustão
O motor de combustão interna é um conjunto de componentes que se combinam entre si, com a finalidade de transformar a energia calorífica da combustão da mistura de ar e combustível, em energia mecânica capaz de efetuar trabalho.
Motores Ciclo Otto
O motor ciclo Otto é o exemplo mais comum, equipando os automóveis movidos a gasolina, álcool e gás natural. Uma mistura formada por ar e combustível é aspirada ao interior do cilindro onde, com a sua queima, é realizado o trabalho que movimenta o motor.
Um motor ciclo Otto pode operar em dois ou quatro tempos, que são denominadas as etapas de funcionamento. O motor de quatro tempos é o mais comum em automóveis, garantindo uma menor emissão de gases poluentes com maior economia de combustível. Nesse tipo de motor, o virabrequim executa duas voltas para que um cilindro realize os 4 tempos, portanto ocorre uma explosão por cilindros a cada duas voltas. O seu funcionamento é o seguinte:
Admissão - A válvula de admissão se abre enquanto o pistão desce rumo ao ponto mais baixo do seu percurso, denominado PMI - ponto morto inferior. A descida do pistão gera uma depressão que aspira a mistura formada pelo ar e combustível, que foi previamente preparada pelo sistema de alimentação.
Compressão – Com as válvulas fechadas, o pistão sobe em direção à sua altura máxima, denominada PMS – ponto morto superior. Durante esse percurso, a mistura ar + combustível é comprimida.
Combustão – Pouco antes do PMS, uma centelha elétrica proveniente da vela de ignição inflama a mistura. A expansão dos gases aumenta abruptamente a pressão no interior do cilindro, impulsionando o pistão para o PMI.
Escapamento – Após a combustão e pouco antes do pistão atingir o PMI, a válvula de escapamento começa a abrir favorecendo o início da exaustão dos gases queimados. Quando o pistão inicia a nova subida, em direção ao PMS, expulsa os gases da câmara de combustão, forçando a sua saída através do coletor de escapamento.
Após o tempo de escapamento, uma nova admissão se inicia, em um ciclo que permanece enquanto o motor estiver funcionando. No desenvolvimento da análise dos motores do ciclo Otto as seguintes suposições serão feitas:
 
Não existe atrito entre o pistão e o cilindro;
O ar é utilizado no cilindro como um fluido de trabalho;
Não existe transferência de calor pelas paredes do cilindro;
O pistão inicia o processo no ponto morto inferior sob as condições P1, V1 e T1;
Compressão adiabática ocorre ao longo a linha AB e expansão adiabática ocorre ao longo de CD;
Adição de calor a volume constante ocorre ao longo da linha BC, e a rejeição ocorre a volume constante ao longo da linha DA;
O fluido de trabalho é tratado como gás perfeito com calor específico constante. 
Todos os processos termodinâmicos são assumidos como ideais.
Cálculo da eficiência do Ciclo Otto
A energia térmica adicionada a volume constante durante o ciclo é dada por:
A energia térmica rejeitada de D para A é:
Em que:
Qen e Qsa = Energia térmica entrando e saindo do sistema, respectivamente;
M = Massa total no interior do cilindro, assumida como constante;
cp = Calor específico a pressão constante;
cv = Calor específico a volume constante;
T = Temperatura absoluta;
cp/cv = k = 1,4 para o ar.
A eficiência do ciclo do motor do ciclo Otto pode então ser calculada por:
Considerando que:
, , portanto  
A equação para a determinação da eficiência do ciclo do motor do ciclo Otto pode ser escrita como:
 
Em que r = taxa de compressão.
Também pode-se escrever que:
Portanto, a eficiência do ciclo Otto ideal aumenta com o aumento da taxa de compressão e é independente da quantidade de energia liberada pelo combustível. 
O trabalho realizado durante cada ciclo faz com que o motor possa gerar trabalho e potência. O trabalho desenvolvido em um ciclo do motor pode ser calculado como sendo:
ou, da equação de conservação de energia:
 
CICLO DE FUNCIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR POR EVAPORAÇÃO
Introdução a Refrigeração por Compressão
Uma unidade de refrigeração é um dispositivo que operando segundo um ciclo termodinâmico necessita de trabalho para que se obtenha a transferência de calor de uma região de baixa temperatura para outra de alta temperatura. 
O ciclo de compressão a vapor é o mais usado nos sistemas de refrigeração. Ele consiste de quatro processos que serão apresentados. Inicialmente apresenta-se o ciclo de refrigeração reversível e ideal estabelecido por Carnot, que permite tirar algumas conclusões que são válidas para ciclos reais. 
É de extrema importância o conceito da eficiência que o equipamento pode alcançar em pleno funcionamento, pois, quanto maior for essa eficiência menor será o consumo de energia elétrica.
Ciclo de Funcionamento
O ciclo pode ser acompanhado, começando com o refrigerante que é comprimido no compressor no estado de vapor, tendo sua pressão e sua temperatura aumentadas e seguindo diretamente para o condensador. O calor retirado da câmara é rejeitado para o exterior, causando assim a mudança para a fase líquida, indo agora para o dispositivo de controle (tubo capilar ou válvula de expansão). Esse dispositivo provoca uma queda de pressão e faz cair também a temperatura, essa correspondente à de evaporação do refrigerante no evaporador. Em seguida o refrigerante, entrando no evaporador, está evaporando na temperatura desejada do projeto, ocorrendo assim o fluxo ideal de calor da câmara para o evaporador. Esse calor é transportado pelo refrigerante que está sempre em circulação indo diretamente em seguida para o compressor, iniciando novamente mais um ciclo. Há uma expansão adiabática onde a entalpia permanece constante, isso ocorre na válvula de expansão ou tubo capilar, A entropia permanece constante, em razão de o refrigerante sofrer uma compressão adiabática reversível no compressor. O calor é rejeitado à pressão constante e o refrigerante sai do condensador como líquido saturado. Após sofrer o estrangulamento, o fluido de trabalho é então
vaporizado à pressão constante para finalizar o ciclo.
Cálculo da eficiência do Ciclo de Carnot
A eficiência de um refrigerador é 
E = Q2 / (Q1 - Q2). 
Quando ela é máxima:
 
Q1 / T1 = Q2 / T2.
O valor da eficiência máxima será portanto
E  máxima = T2 / (T1 - T2)
Referências Bibliográficas
MORAN, M.J., SHAPIRO N.H. Princípios de Termodinãmica para Engenharia. 4.ed. LTC, 2002, 680p.
http://www.cefetsp.br/