APS 2017 UNIP CICLOS TERMODINAMICOS Engenharia Meânica 6º semestre

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CURSO ENGENHARIA MECÂNICA 6º SEMESTRE 
ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS (APS) 
 
UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA 
Rua. Baguaçu, 1939 
Jardim Alvorada, 
Araçatuba – SP 
 
 
 
 
CICLOS TERMODINÂMICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2017 
NOME RA 
Danilo Cagliari Casella C0867H-8 
Rafael Ribeiro Rol C4668D-0 
Guilherme dos Santos Gomes C53ECH-1 
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SUMÁRIO 
 
INTRODUÇÃO 03 
DEFINIÇÃO 03 
CICLO DE CARNOT 05 
CICLO DE OTTO 07 
CICLO DE DIESEL 10 
CICLO DE STIRLING 12 
CONCLUSÃO 14 
REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICASPAR 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1 - INTRODUÇÃO 
Os ciclos termodinâmicos são processos que um sistema realiza a fim de sue 
obter trabalho do sistema ou de se realizar trabalho sobre o sistema. Cada tipo de 
motor, por exemplo, tem um processo diferenciado para que se obtenha trabalho 
do sistema. assim o ciclo que rege o funcionamento do motor a diesel é diferente 
do ciclo que rege o motor a gasolina ou álcool. este depois ainda são diferentes 
do ciclo a vapor e estão longe de ser um ciclo ideal. 
 
2 - DEFINIÇÃO DOS CICLOS 
 Define-se como 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. Veja alguns exemplos de ciclos 
termodinâmicos e os tipos de motores de calor que os mesmos representam: 
 
CICLO DE CARNOT 
 O ciclo de Carnot, proposto pelo engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi 
Carnot, é considerado um ciclo termodinâmico ideal, representando apenas o 
funcionamento teórico de uma máquina. Este ciclo reversível é formado por duas 
transformações isotérmicas, que se alternam com duas transformações 
adiabáticas. Todas as trocas de calor são isotérmicas neste ciclo. 
 Até hoje ainda não foi possível desenvolver uma máquina de Carnot, ou 
seja, uma máquina que opere sob o ciclo de Carnot, uma vez que, seu 
rendimento corresponde ao máximo que uma máquina térmica pode atingir, 
operando entre determinadas temperaturas de fonte quente e fonte fria. Assim, 
para chegar próximo ao sistema isotérmico, um processo real desse ciclo teria 
que ser muito lento e isso inviabilizaria seu uso. 
 Por representar o ciclo mais básico da Termodinâmica, a máquina de 
Carnot é utilizada apenas como um comparativo, que mostra se uma máquina 
térmica tem ou não um bom rendimento. 
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CICLO DE OTTO 
 O ciclo de Otto idealiza o funcionamento de motores de combustão interna, 
que operam grande parte dos veículos automotores movidos a álcool, gasolina ou 
gás natural. Neste tipo de motor, o calor captado pelo ciclo é proveniente de uma 
reação de combustão, que acontece no interior do motor. Uma faísca provoca a 
ignição da combustão e com isso, os gases produzidos na reação são utilizados 
para realizar trabalho. 
 Assim como nenhum outro ciclo termodinâmico, o ciclo de Otto não é tão 
eficiente quanto o ciclo de Carnot, visto que sua eficiência depende diretamente 
das propriedades do fluido, como, por exemplo, o calor latente de evaporação e a 
energia interna. 
 
CICLO DE DIESEL 
 O ciclo de Diesel representa o funcionamento de outro tipo de motor de 
combustão interna: o motor movido a diesel. A principal característica deste ciclo 
é o fato da combustão ser provocada pela compressão da mistura de combustível 
com o ar (sem faísca). Isso ocorre porque nesse tipo de motor não existe a vela (o 
dispositivo que causa a faísca), ao contrário dos motores movidos a gasolina, por 
exemplo. 
 
CICLO RANKINE 
 O ciclo Rankine é o ciclo termodinâmico que representa de forma 
idealizada o funcionamento das máquinas a vapor, ou seja, de um motor que 
opera através da transformação de energia térmica em energia mecânica. Tal 
processo baseia-se no fato de que um gás se contrai ao condensar e se expande 
quando evapora, de forma a realizar trabalho mecânico. Sendo assim, neste ciclo 
existe uma transição de fases: condensação e evaporação. 
 
CICLO DE STIRLING 
 O ciclo de Stirling idealiza o funcionamento de um motor de combustão 
externa. Esse ciclo é o mais simples, uma vez que é composto apenas por duas 
câmaras que oferecem temperaturas diferentes, de maneira que o gás seja 
resfriado alternadamente. Este ciclo é o que mais se parece com o ciclo de 
 Carnot. As máquinas térmicas que operam com base no ciclo de Stirling 
apresentam um rendimento maior do que aquelas operadas com base no ciclo de 
Otto ou de Diesel. 
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 Pode-se concluir, então, que um ciclo termodinâmico é uma série de 
processos repetitivos realizados por um fluido, que pode ser um gás ou um 
líquido, para produzir trabalho. 
 
3. CICLO DE CARNOT 
 Esse ciclo foi inicialmente proposto pelo físico e engenheiro militar Nicolas 
Léonard Sadi Carnot no ano de 1824. Ele pode ser representado por uma 
seqüência de transformações gasosas onde uma máquina térmica tem o seu 
rendimento máximo operando em ciclos, diante de duas fontes térmicas. Carnot 
mostrou que quanto maior a temperatura da fonte quente, maior seria seu 
rendimento para uma substância que se comportasse como um gás ideal. 
 O ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas: uma 
para a temperatura T1 da fonte quente onde ocorre o processo de expansão e a 
outra temperatura T2referente a fonte fria onde ocorre o processo de compressão. 
Cada uma dessas transformações é intercalada com duas transformações 
adiabáticas. 
 
 
 
Assim temos que os processos são: 
Expansão isotérmica AB onde o gás retira energia térmica da fonte quente; 
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Expansão adiabática BC onde o gás não troca calor; 
Compressão isotérmica CD onde o gás rejeita energia térmica para a fonte fria; 
Compressão adiabática DA onde o gás não troca calor. 
 
 As máquinas térmicas que utilizam esse tipo de ciclo são consideradas 
máquinas térmicas ideais. Isso acontece porque seu rendimento é o maior dentre 
as demais máquinas e chega próximo a 100%. O teorema de Carnot divide-se em 
duas partes: 
 A máquina de Carnot (todas aquelas que operam segundo o ciclo de 
Carnot) tem rendimento maior que qualquer outro tipo de máquina, operando 
entre as mesmas fontes (mesmas temperaturas); 
todas as máquinas de Carnot tem o mesmo rendimento, desde que operem com 
as mesmas fontes (mesmas temperaturas). 
 Em particular a este ciclo foi demonstrado que as quantidades de calor 
trocadas com as fontes são proporcionais às respectivas temperaturas absolutas: 
 
onde: 
T1 - Temperatura da fonte quente (K); 
T2 - Temperatura da fonte fria (K); 
Q1 - Energia térmica recebida da fonte quente (J); 
Q2 - Energia térmica recebida da fonte fria (J). 
Como, para uma máquina térmica o rendimento é dado por: 
 
e para uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot temos que: 
 
 
 
 
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4 - CICLO DE OTTO 
 Responsável pelo projeto do motor a 4 tempos em 1876, Nikolaus August 
Otto (1832-1891), engenheiro alemão, teve sua patente revogada em 1886 
porque alguém já tinha tido essa idéia. Porém Otto e seus dois irmãos não se 
deram por satisfeitos e construíram os primeiros protótipos do seu motor, onde 
obtiveram grande aceitação por ter uma eficiência maior e ser mais silencioso que 
os modelos concorrentes. Curiosamente os primeiros modelos eram movidos a 
gás e somente depois de alguns anos foramaperfeiçoados aos modelos de 
gasolina com admissão de ar. O ciclo teórico mostrado na figura 1 passou a ser 
denominado ciclo de Otto. Basicamente esse ciclo é constituído de quatro 
processos: 
AB - Processo de Compressão Adiabática; 
BC - Processo de Aquecimento Isométrico de Calor; 
CD - Processo de Expansão Adiabática; 
DA - Processo de Rejeição Isométrica de Calor; 
 
Figura 1: Diagrama pV do ciclo de Otto (motor à explosão) 
 O motor de combustão interna, a álcool ou a gasolina, é um exemplo típico do 
distanciamento entre a prática e a teoria, ou entre a tecnologia e a ciência. Dentre 
os elementos que compõe o motor, destacam-se necessários ao funcionamento 
as válvulas (que controlam a entrada e saída de ar ou produto da explosão), a 
vela que emite a faísca que dá início à explosão e no interior do motor o 
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virabrequim que controla várias funções do motor como o acionamento das 
válvulas, a sincronia dos pistões e a transmissão de energia mecânica para a 
caixa de câmbio. Veja a seguir a relação de algumas partes do motor: 
 
Figura 2: Partes de um motor ciclo Otto 
 A seguir está um corte lateral e a relação do processo detalhado no ciclo 
de Otto. 
 
Figura 3: Relação das etapas do ciclo Otto 
 É importante salientar as diferenças entre o ciclo teórico e o ciclo prático: 
veja as diferenças entre a figura 1 e a figura 4. A figura 4 representa graficamente 
o que acontece em cada processo de Otto. 
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Figura 4: Representação gráfica real do ciclo Otto 
 Veja como acontecem os processos no interior do motor de combustão e 
observe cuidadosamente como acontecem as etapas. Dê uma atenção especial 
às barras verticais que demonstram como variam o volume, a pressão e a 
temperatura durante o ciclo. Em caso de dúvidas os processos detalhados estão 
explícitos aqui. 
Os motores desse tipo não tem fontes quentes e frias explícitas. A fonte quente 
resulta do calor gerado na explosão do combustível enquanto a fria da 
substituição de uma fração do fluido de combustível quente e queimado por outra 
fria, a ser queimada e explodida. 
 
 
 
 
 
 
 
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5 - CICLO DE DIESEL 
 
 Rudolf Diesel patenteou um motor à 
combustão de elevada eficiência, 
demonstrando em 1900, um motor movido 
a óleo de amendoim, cuja tecnologia leva 
seu nome até hoje. Ao lado encontra-se 
uma cópia do documento que garantiu a 
patente a Rudolf Diesel. 
 Atualmente está se estudando formas 
de reaproveitamento do óleo de cozinha na 
utilização como óleo combustível para 
motores movidos a Diesel. O óleo de 
cozinha auxilia a diminuir a emissão de 
poluentes em motores diesel, além de 
melhorar o desempenho dos lubrificantes 
internos do motor. A descoberta é resultado 
das pesquisas feitas por engenheiros 
da Penn State University (Estados Unidos). 
Os pesquisadores produziram versões 
especialmente tratadas de óleos 
 O ciclo de diesel é essencialmente caracterizado pela combustão ser causada 
pela compressão da mistura ar + combustível. O ar é admitido pela câmara no 
primeiro ciclo entrando na câmara. No segundo ciclo, o pistão faz a compressão 
dessa massa de ar e a término da compressão, injeta-se combustível sob pressão 
no interior da câmara. Dada as altas temperatura e pressão no interior da câmara, 
a mistura sofre a explosão ao final do ciclo. A expansão do gás originário dessa 
explosão expande-se originando o terceiro ciclo. Finalmente o gás de resíduos da 
combustão é liberado pelas válvulas, quando então, reinicia-se o processo. 
 De uma forma 
geral o estado inicial do 
ciclo de diesel é aquele 
que promove uma 
compressão adiabática 
e leva a máquina ao 
próximo estado. Neste 
estado ocorre uma 
transformação isobárica 
onde a máquina recebe 
calor. Durante a 
mudança deste para o próximo estado, ocorre uma expansão adiabática. 
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Finalmente, ocorre uma transformação isocórica onde a máquina perde calor e a 
partir daí, reinicia-se o ciclo. 
 Ao lado tem-se um diagrama p-V do ciclo de Diesel, onde Qp é o calor 
recebido e Qo é o calor perdido para o meio. Cabe ressaltar que os pontos 
numerados 1, 2, 3 e 4 são os estados do sistema termodinâmico. Figura 
2: diagrama pV que representa o ciclo Diesel. 
 É importante salientar a diferença dos motores diesel para gasolina sob o 
aspecto da combustão: nos motores a gasolina há um dispositivo faiscador (vela) 
que não há na maioria dos sistemas diesel. Outro dado é o de que no motor a 
gasolina o combustível entra na câmara durante a admissão do ar, o que provoca 
perdas na taxa de compressão do motor. Já no sistema diesel, somente o ar é 
aspirado na admissão e o combustível é injetado quando o motor atinge máxima 
compressão do ar ocasionando assim a explosão da mistura. 
 Observe as imagens que segue como é o funcionamento do motor diesel 
em cada uma das etapas: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O Diesel apresenta outras características importantes em relação a 
gasolina, uma delas é a o tempo de evaporação. Pelo fato desse combustível ter 
maior viscosidade que a gasolina ele apresenta um maior tempo de evaporação, 
já que é necessária mais energia térmica para romper a ligação das moléculas. 
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 Outra característica interessante é a de que o diesel tem cadeias de 
carbono mais longas do que a gasolina, enquanto o diesel tem moléculas tipo 
C14H30, a gasolina possui C9H20. Esse é um dos fatores que contribui para o preço 
do óleo diesel ser mais barato de se produzir, já que ele necessita menor refino 
do petróleo que a gasolina. Finalmente a densidade energética do diesel é maior. 
Para cada 3,785 litros de diesel pode-se obter 155 milhões de joules, enquanto 
para a mesma quantidade de gasolina a taxa energética cai para 132 milhões de 
joules. Esses dados refletem no aproveitamento do combustível durante o 
consumo: os motores a diesel tendem a ser mais econômicos que os motores a 
gasolina quando empregados no mesmo veículo. 
 
6 - CICLO DE STIRLING 
 O motor Stirling é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo 
pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro. 
Eles visavam a substituição do motor a vapor, com o qual o motor stirling tem 
grande semelhança estrutural e teórica. No início do século XIX, as máquinas a 
vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia 
metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. 
Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os 
irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro. É referido 
também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido 
de trabalho. 
 Esse ciclo termodinâmico consiste de quatro processos internamente 
reversíveis em série: consiste em uma expansão isotérmica (processo AB), 
seguido de resfriamento a volume constante (processo BC), uma compressão 
isotérmica (processo CD) e um aquecimento a volume constante (processo DA). 
 A seguir tem-se um diagrama pV característico do ciclo de Stirling. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 O motor Stirling ganha dos demais na simplicidade, pois consiste apenas 
de duas câmaras que proporcionam temperaturas diferentes para o resfriamento 
alternado de um determinado gás. Esse resfriamento alternado provoca uma 
expansão e contração cíclicas que movimentam os êmbolos ligados a um eixocomum. 
 Na teoria o motor de Stirling é uma máquina térmica bastante eficiente. 
Alguns protótipos construídos nas décadas de 50 e 60 chegaram a índices de 
eficiência de 45%, superando e muito os motores a gasolina ou diesel que 
possuem uma eficiência média de 20% a 30%. Dentre asa vantagens desse tipo 
de motor são desde que ele é pouco poluente, já que a combustão é contínua e 
não intermitente, o que permite a queima completa e eficiente do combustível. 
Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a 
fria para produzir trabalho. Porém como desvantagens temos a dificuldade de dar 
partida no motor e a irregularidade na velocidade do motor. 
Veja uma demonstração do ciclo de Stirling: 
 
 
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CONCLUSÃO 
 
 
 
 
7 - CONCLUSÃO 
 
 A primeira lei da termodinâmica é a lei de conservação de energia aplicada 
aos processos térmicos. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. 
Este princípio pode ser enunciado a partir do conceito de energia interna. Esta 
pode ser entendida como a energia associada aos átomos e moléculas em seus 
movimentos e interações internas ao sistema. 
 A Segunda Lei da Termodinâmica, uma importante lei física, determina que 
a entropia total de um sistema termodinâmico isolado tende a aumentar com o 
tempo, aproximando-se de um valor máximo. Duas importantes conseqüências 
disso são que o calor não pode passar naturalmente de um corpo frio a um 
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corpo quente, e que um moto-contínuo, ou seja, um motor que produza trabalho 
infinitamente, por calor, seja impossível. 
 A extensão do estado de desordem em que esta energia se encontra é 
medida por uma quantidade conhecida por entropia. Quanto maior é o estado de 
desorganização, tanto maior é a entropia, quanto menos extensa for à 
desorganização, menor é a entropia. De fato, como estabelece a termodinâmica, 
à temperatura de zero absoluto quando todas as vibrações atômicas e movimento 
param, a entropia é nula, porque não há movimento desordenado 
 Embora a teoria cinética dos gases seja hoje em dia uma teoria importante 
na física, no tempo de Boltzmann era muito combatida por físicos e matemáticos. 
 Uma conclusão importante da teoria cinética dos gases é que a "energia 
cinética média das partículas de um gás é diretamente proporcional à temperatura 
absoluta do mesmo" 
 
8 - REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICASPAR, A. Física. São Paulo, 
v.2, Ática, 2002. 
 http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclos_termodinamicos.htm 
 
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A2mico 
 
 http://cursos.unisanta.br/quimica/private/APOSTILA-TERMO.PDF 
 
 http://fig.if.usp.br/~amtramos/termo/GAB_classe6b.pdf 
 
 Ceará da Ciência. Universidade Federa do Ceará. Entropia. Disponível em 
<www.seara.ufc.br/donafifi/entropia/entropia3.htm>. Acesso em: 26 do 
agosto de 2007. 
 
 Cola da web. Termodinâmica. São Paulo. Disponível em 
<www.coladaweb.com/fisica/termodinamica.htm>. Acesso em: 27 de 
agosto de 2007. 
 
 HALLIDAY, David, Fundamento da físca, v.2:gravitação, ondas e 
termodinâmica/ David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker; tradução 
Flávia Menezes de Aguiar, José Wellington Rocha Tabosa. - Rio de 
Janeiro: LTC, 2006. 
 
 USP. Fisica: Termodinâmica. Disponível em: 
http://educar.sc.usp.br/experime 
ntoteca/fisica/kit6_otica_fisica/cuba_ondas_sam/exp_6interferencia.pdf>. 
Acesso em: 27 de agosto de 2007. 
 
 Wikipédias. Primeira e Sengudna Lei da Termodinamica. EUA.disponível 
em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Primeira_Lei_da_Termodin%C3%A2mica>. 
Acesso em: 28 de agosto de 2007.