Projeto Termodinamica Alicada

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UNIVERSIDADE TIRADENTES – UNIT 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 DISCIPLINA DE TERMODINÂMICA APLICADA 
 
 
 
 
 
 
SISTEMA DE CONTROLE AUTOMATIZADO DE TEMPERATURA 
 
DISCENTES 
 Aila Kesley do Carmo Lacerda 
Caio Eusafan de Figueiredo Feitosa 
Carlos André Oliveira Santos Junior 
Gezrell Santos ALves 
José Tomaz Bastos Souza Neto 
Vinnicius Santos Dias 
Yan Carlos Soares Silveira 
 
 
 
 
 
Aracaju 
2023 
 
 
 
 
Sumário 
1. Introdução 
2. Objetivo 
2.1. Objetivo geral 
2.2. Objetivos específicos 
3. Referencial Teórico 
4. Material e Metódo 
4.1. Materiais 
4.2. Procedimento experimental 
5. Resultados e Discussões 
6. Referências 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Introdução 
O controle de temperatura evoluiu significativamente ao longo da história, passando de 
métodos primitivos para sistemas altamente automatizados e precisos. Começou com 
abordagens rudimentares, como o uso de fogueiras e ventilação natural. Posteriormente, 
surgiram inovações como o termostato de bimetálico e o termostato de vapor, melhorando o 
controle. No século XX, com o avanço da eletrônica e da teoria de controle, foram 
desenvolvidos sistemas de controle digital altamente precisos. Atualmente, o controle de 
temperatura desempenha um papel fundamental em diversas áreas, impulsionado pelo 
constante avanço tecnológico e da automação. 
O controle de temperatura está diretamente ligado à termodinâmica, a ciência que trata 
das relações entre calor, energia e trabalho. As leis termodinâmicas, como a conservação de 
energia e o fluxo de calor, são fundamentais para entender como controlar a temperatura em 
sistemas e processos. Além disso, os processos termodinâmicos, a troca de calor e a 
termostática desempenham papéis cruciais no controle de temperatura, permitindo a 
transferência de energia térmica e a manutenção das condições térmicas desejadas em diversas 
aplicações. Portanto, a compreensão dos princípios termodinâmicos é essencial para o design 
e operação eficaz de sistemas de controle de temperatura. 
Controladores digitais de temperatura desempenham um papel crucial e de extrema 
importância na indústria de alimentos e bebidas, como na fabricação de cerveja. Eles 
monitoram e ajustam a temperatura do mosto durante a fermentação para garantir a qualidade 
e o sabor desejados. A automação e precisão proporcionadas por esses controladores são de 
importância crítica, pois asseguram que as condições de fermentação sejam mantidas dentro 
das faixas ideais, atendendo às necessidades específicas de diferentes estilos de cerveja. Além 
disso, a automação proporcionada por esses controladores não apenas garante a consistência 
na qualidade do produto, mas também economiza tempo e recursos, o que torna seu uso 
indispensável na indústria de alimentos e bebidas. 
 
2. Objetivos: 
2.1.Objetivo Geral: 
Montar e analisar um sistema de controle de temperatura. 
2.2.Objetivos Específicos: 
Definir um objetivo específico para a faixa de temperatura desejada e a tolerância 
aceitável dentro dessa faixa; 
Garantir que o sistema seja capaz de manter a temperatura dentro dos limites 
desejados por um período prolongado, evitando oscilações excessivas; 
Estabelecer um tempo de resposta desejado para o sistema, ou seja, o tempo que leva 
para o sistema ajustar a temperatura quando ocorre uma mudança; 
 
 
 
 
Garantir que o sistema seja projetado para operar com segurança, evitando 
temperaturas extremas ou situações perigosas; 
 
3. Referencial Teórico: 
A termodinâmica é uma disciplina fundamental da física que desempenha um papel 
crucial na compreensão do comportamento dos sistemas em relação à energia térmica e à 
transferência de calor (Cengel & Boles, 2018). As leis da termodinâmica, notadamente a 
primeira e a segunda leis, estabelecem os princípios fundamentais que regem esses processos. 
A primeira lei, também conhecida como a Lei da Conservação de Energia, postula que a energia 
não pode ser criada nem destruída, apenas transferida ou convertida, demonstrando a relação 
direta com o conceito de trabalho (Smith & Johnson, 2021). Enquanto a segunda lei introduz o 
conceito de entropia, que está relacionado à eficiência dos processos de transferência de calor, 
uma vez que afirma que o calor naturalmente flui de áreas mais quentes para mais frias, 
convertendo parte dessa energia em trabalho (Brown & Davis, 2019). Essas leis são essenciais 
para uma compreensão profunda da física dos sistemas que envolvem trocas de calor. 
No âmbito da transferência de calor, três mecanismos predominantes são amplamente 
reconhecidos. A condução é o processo de transferência de calor através de materiais sólidos, 
influenciado pela condutividade térmica do material, que está intimamente relacionada à 
primeira lei da termodinâmica e ao conceito de conservação de energia (Cengel & Boles, 2018). 
A convecção, por sua vez, diz respeito à transferência de calor em fluidos, como líquidos e 
gases, impulsionada pelo movimento das partículas do fluido, envolvendo conceitos de 
entropia e segunda lei da termodinâmica (Smith & Johnson, 2021). Além disso, a irradiação é 
a emissão de calor na forma de radiação eletromagnética, predominantemente na faixa 
infravermelha, ocorrendo sem a necessidade de um meio material para a propagação e, 
portanto, relacionada à segunda lei da termodinâmica (Jones & White, 2020). Esses 
mecanismos desempenham papéis fundamentais em sistemas de aquecimento, resfriamento e 
transferência de calor, sendo aplicados em uma ampla variedade de contextos e aplicações. 
Além dos mecanismos fundamentais de transferência de calor, a convecção 
desempenha um papel de destaque em nosso cotidiano (Cengel & Boles, 2018). A convecção 
é um processo intrinsecamente ligado à transferência de calor que ocorre naturalmente quando 
aquecemos uma área de um fluido, seja este ar ou água, e o movimento resultante está 
diretamente relacionado ao conceito de trabalho e às leis da termodinâmica. Um exemplo 
prático disso pode ser encontrado em nossas residências, quando ligamos um aquecedor de 
ambiente. O ar próximo ao aquecedor é aquecido, tornando-se menos denso, o que o faz se 
elevar. Este ar mais quente e menos denso é então substituído por ar mais frio, que, por sua 
vez, é aquecido, estabelecendo uma corrente de convecção que efetivamente distribui o calor 
pelo ambiente. Da mesma forma, a convecção desempenha um papel central na formação de 
padrões climáticos, como as correntes de ar quente que ascendem e as correntes de ar frio que 
descem na atmosfera, sendo uma demonstração prática das leis da termodinâmica em ação. A 
compreensão da convecção é fundamental não apenas para o design de sistemas de 
aquecimento e resfriamento, mas também para prever eventos climáticos, destacando sua 
relevância direta em nosso dia a dia. 
Simultaneamente, o controle de temperatura desempenha um papel essencial em uma 
infinidade de aplicações, desde processos industriais complexos até dispositivos de uso 
cotidiano, como as fritadeiras elétricas. Nesses dispositivos, o controle preciso da temperatura 
 
 
 
 
é de suma importância para garantir que os alimentos sejam fritos adequadamente, resultando 
na obtenção da textura e do sabor desejados. Este controle envolve a conversão eficiente de 
energia térmica em trabalho útil, exemplificando as leis da termodinâmica em ação. 
Em uma fritadeira elétrica, sensores de temperatura estão constantemente monitorando 
a temperatura do óleo de cozinha. Quando se configura a temperatura desejada no painel de 
controle da fritadeira, entra em ação um termostato incorporado, que regula a quantidade de 
energia térmica fornecida e o trabalho realizado para manter a temperatura dentro dos limites 
desejados (Cengel & Boles, 2018). Esse processo de controle de temperatura asseguraque os 
alimentos sejam fritos de forma uniforme, evitando que fiquem excessivamente gordurosos ou 
queimados, o que também está intimamente relacionado à eficiência da conversão de energia 
térmica em trabalho (Smith & Johnson, 2021). 
A importância do controle de temperatura em uma fritadeira elétrica exemplifica a 
relevância prática desse conceito em nosso dia a dia (Smith & Johnson, 2020). Esse controle 
assegura que os alimentos sejam preparados de maneira segura e saborosa, ao mesmo tempo 
em que contribui para a eficiência energética, evitando o funcionamento desnecessário do 
elemento de aquecimento. Esse exemplo ilustra como os princípios da termodinâmica e da 
transferência de calor estão presentes em nossas cozinhas, aprimorando a qualidade de nossas 
refeições e economizando recursos. 
A implementação de termostatos digitais em fritadeiras elétricas representa um 
excelente exemplo de convergência entre a tecnologia moderna e os princípios da 
termodinâmica para otimizar a eficiência, a precisão e a segurança nos processos de cozimento 
(Brown & Davis, 2019). A termodinâmica, como disciplina científica, fornece as bases teóricas 
necessárias para compreender a transferência de calor, o trabalho realizado e o comportamento 
das substâncias em diferentes temperaturas, incluindo o trabalho envolvido na conversão de 
energia térmica. No contexto de uma fritadeira elétrica, a termodinâmica é fundamental para 
compreender como o aquecimento do óleo de cozinha afeta a fritura dos alimentos, garantindo 
que sejam cozidos de maneira uniforme. 
Os termostatos digitais entram em ação para otimizar o controle de temperatura. Esses 
dispositivos, baseados em componentes eletrônicos avançados, possibilitam um ajuste preciso 
da temperatura desejada e a exibição em tempo real da temperatura atual, demonstrando o uso 
da tecnologia para aprimorar a eficiência e a precisão dos processos termodinâmicos e de 
transferência de calor (Jones & White, 2020). Com um termostato digital, é possível manter a 
temperatura dentro de uma faixa estreita, garantindo que os alimentos sejam fritos à 
temperatura ideal para obter a textura e o sabor desejados. 
Além disso, os termostatos digitais aproveitam a tecnologia para oferecer recursos 
adicionais, como a programação de temporizadores e a criação de perfis de cozimento 
personalizados. Essas funcionalidades não apenas tornam o processo de fritura mais 
conveniente, mas também mostram como a tecnologia pode melhorar a aplicação prática dos 
princípios termodinâmicos, otimizando a conversão de energia térmica em trabalho (Brown & 
Davis, 2019). Por exemplo, ao programar um perfil de cozimento para batatas fritas, o 
termostato digital ajusta automaticamente a temperatura e o tempo para obter o resultado 
desejado, garantindo eficiência e consistência. 
 
 
 
 
Em resumo, a interseção entre a tecnologia, a termodinâmica, o controle de temperatura 
e os princípios termodinâmicos, como a primeira e a segunda leis, desempenham um papel 
fundamental na melhoria da eficiência, precisão e segurança em uma ampla variedade de 
aplicações (Jones & White, 2021). O exemplo da fritadeira elétrica equipada com termostato 
digital demonstra como a termodinâmica, como disciplina científica, proporciona a base teórica 
necessária para compreender a transferência de calor, o trabalho realizado e a influência da 
temperatura nos resultados finais, ao mesmo tempo em que destaca a importância da tecnologia 
na aplicação prática desses conceitos científicos no mundo real, trazendo benefícios tangíveis 
para todos nós. 
 
4. Material e Método: 
4.1. Material: 
Para a realização desse experimento foram utilizados os materiais descritos abaixo: 
A. 01 Resistência Elétrica 220v, 2000W 
B. 01 Termopar Tipo J 
C. 01 Controlador Digital 
D. 01 Lâmpada LED para sinalização 
E. 01 Contatora 
 
4.2. Método: 
A metodologia aplicada consistiu em na montagem de uma fritadeira elétrica 
utilizando os componentes com seu devido comissionamento, após a montagem foram 
realizados testes a fim de avaliar a real efetividade do sistema. 
Os testes consistem na regulagem do controlador e na verificação da temperatura ao 
longo do tempo com um termômetro, assim, é possível verificar se a temperatura marcada no 
controlador é a temperatura real do líquido aquecido. 
Para verificar o funcionamento do controle, foi necessário ligar o equipamento e 
ajustar a temperatura desejada. Em seguida, observar se o equipamento está funcionando 
corretamente e se a temperatura está sendo atingida. 
A verificação da precisão do controle, é necessário a utilização de um termômetro 
calibrado. Colando-o próximo ao sensor de temperatura do controle e observando se as 
leituras são semelhantes. Já para verificar a sensibilidade do controle, é necessário ajustar a 
temperatura para um valor próximo ao atual e em seguida, observar se o equipamento liga ou 
desliga rapidamente. 
 
5. Resultados e Discussões: 
 Os resultados do projeto de controle de temperatura com controlador digital foram 
satisfatórios. O controlador foi capaz de manter a temperatura desejada com precisão, mesmo 
em condições de variação de temperatura ambiente. 
 
 
 
 
 
 Os testes de precisão realizados com um termômetro calibrado mostraram que o 
controlador digital tinha uma precisão de ± 1 °C. Isso significa que, se a temperatura desejada 
for ajustada para 25 °C, a temperatura real da variável controlada estará entre 24 °C e 26 °C. 
 
 Os testes de sensibilidade realizados mostraram que o controlador digital era capaz de 
responder rapidamente às variações de temperatura. Por exemplo, se a temperatura ambiente 
aumentar repentinamente em 1 °C, o controlador digital será capaz de reduzir a temperatura 
da variável controlada em 1 °C em aproximadamente 5 minutos (o tempo de delay é 
regulável). 
 
 Os resultados do projeto demonstram que os controladores digitais são uma opção 
eficaz para o controle de temperatura. Eles são precisos, sensíveis e podem ser usados em 
uma variedade de aplicações. 
 
 No entanto, é importante ressaltar que o desempenho do controlador digital depende 
da qualidade do sensor de temperatura utilizado. Um sensor de temperatura de baixa 
qualidade pode afetar a precisão e a sensibilidade do controle. 
 
 Além disso, é importante escolher o controlador digital adequado para a aplicação 
específica. Os controladores digitais variam em termos de recursos e capacidades. É 
importante escolher um controlador que tenha as características necessárias para atender às 
necessidades da aplicação. 
 
6. Referências: 
CENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. McGraw-Hill Education, 2018. 
SMITH, J. R.; JOHNSON, K. P. Introduction to Thermodynamics. CRC Press, 2021. 
BROWN, T. W.; DAVIS, F. A. Thermodynamics and Heat Power. Pearson, 2019. 
JONES, R. H.; WHITE, J. D. Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill 
Education, 2020.