Aps Carrro a Vapor 2018

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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP 
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia - ICET 
“CAMPUS ALPHAVILLE” 
CURSO DE GRADUAÇÃO 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TURMA EM5P06 
1º Semestre de 2018 
GRUPO CARRO A VAPOR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SANTANA DE PARNAÍBA 
2018 
COORDENADOR 
2 
 
FÁBIO PAPALARDO 
TURMA EM5P06 
1º Semestre de 2018 
GRUPO CARRO A VAPOR 
 
 
CARLOS ALBERTO PETRI T2498B – 7 
JÉSSICA CRISTINE LUQUE T66018 – 1 
FATIMA NAYANE SANTOS MENDES T82099 – 5 
 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado à 
Universidade Paulista, Campus 
Alphaville, como requisito para 
obtenção de nota da matéria de 
Atividades Práticas Supervisionadas 
para o primeiro semestre de 2018 do 
curso de Engenharia Mecânica. 
Alphaville, 2 Junho de 2018. 
 
 
 
 
 
AVALIADOR PROF°: SHIVA CAMARGO 
 
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Sumário 
1 OBJETIVO ............................................................................................................ 4 
2 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 4 
2.1 Origem da primeira máquina a vapor ......................................................................................5 
2.2 Primeiras aplicações industriais da máquina a vapor ..............................................................5 
2.3 A máquina a vapor na indústria ...............................................................................................6 
3 MOTOR A VAPOR ............................................................................................... 6 
3.1 Caldeiras ...................................................................................................................................8 
3.1.1 Caracterização ............................................................................................................... 10 
3.1.2 Tipos .............................................................................................................................. 11 
3.2 Máquinas à Vapor ................................................................................................................. 13 
3.3 Como funciona uma máquina à vapor .................................................................................. 13 
3.4 Equipamento de Segurança .................................................................................................. 14 
4 TEORIAS APLICADAS ....................................................................................... 15 
4.1 Tabelas de Vapor Saturado ................................................................................................... 15 
4.2 Rendimento das máquinas térmicas ..................................................................................... 16 
4.3 Cálculo do Rendimento de um Gerador de Vapor (GV) ........................................................ 17 
4.4 Perdas de calor num GV ........................................................................................................ 17 
4.5 Rendimento Térmico de um GV ............................................................................................ 18 
4.6 Terceira Lei de Newton ......................................................................................................... 20 
4.6.1 Energia ........................................................................................................................... 21 
4.7 Primeira Lei de Newton Lei I: ................................................................................................ 24 
4.8 Força de Atrito ....................................................................................................................... 24 
4.8.1 Tipos de Força de Atrito ................................................................................................ 25 
4.9 Relação Velocidade x Atrito .................................................................................................. 25 
4.9.1 Velocidade Angular ....................................................................................................... 26 
5 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 27 
6 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 28 
 
 
 
4 
 
1 OBJETIVO 
 
Aplicar os conhecimentos teóricos adquiridos em sala de aula com o estudo 
de fenômenos de transporte, termodinâmica básica, mecânica dos fluidos, dentre 
outros. Visando a construção de um carro movido a vapor respeitando as normas pré-
estabelecidas no manual disponibilizado aos alunos. Sendo que a carro deve 
transportar a carga mínima de 1000 g, com o seguinte dimensional máximo: 770 mm 
de comprimento; 500 mm de largura e 400 mm de altura. 
 
2 INTRODUÇÃO 
 
A primeira referência da 
máquina a vapor é encontrada no 
período helenístico. Em seguida, 
falamos sobre experimentos para 
aproveitar a expansão dos 
compostos devido à mudança da 
fase líquida para a fase de gás 
(vapor): em particular, a célula de 
Aeolus da garça real. É uma 
esfera de metal oca cheia de água, com os braços tangentes ao orifício de saída: 
quando a água é aquecida, vaporiza e o vapor de água que sai dos buracos, girando 
a própria bola. 
Você também deve se lembrar das tentativas de usar o vapor de Leonardo 
da Vinci com seu carro chamado Architano. Em 1606, os experimentos de Giovanni 
Battista della Porta conseguiram usá-lo como força motriz. O engenheiro de Salomon 
de Caus também realizou experimentos com motores a vapor semelhantes aos da 
Della Porta. Em 1615, Alomon Caus publicou um tratado sobre o seu sistema 
contendo uma bomba de vapor. 
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Nos últimos tempos, as primeiras aplicações de vapor podem ser rastreadas 
até os experimentos de Denis Papin e sua panela de pressão de 1679. Nessa 
experiência, ele passou a conceber ideias sobre como desenvolver o uso do vapor. 
 
2.1 Origem da primeira máquina a vapor 
 
Os experimentos subsequentes ocorreram no início do século 18, 
especialmente para o bombeamento de água das minas. O bombeio da água foi feito 
pelo sistema desenvolvido em 1698 por Thomas Savery usando o vácuo criado pela 
condensação do vapor introduzido em um recipiente. Com este experimento foi 
possível elevar a água para aproximadamente 10 m de altura. Além disso, graças à 
invenção do sistema cilindro-pistão (provavelmente devido a Denis Papin), foi possível 
converter a energia do vapor em movimento mecânico. Desta forma, obteve-se um 
trabalho mecânico e, portanto, a primeira máquina a vapor. 
 
2.2 Primeiras aplicações industriais da máquina a vapor 
 
Newcomen steam engine O primeiro 
exemplo de aplicação industrial deste conceito 
é o motor a vapor Newcomen, 1705. A 
máquina Newcomen era grande, mas não 
muito poderosa e dispendiosa. Eu só consegui 
fazer um movimento de ida e volta. Por esta 
razão, é usado para extrair água de minas. 
Inicialmente, a máquina a vapor 
funcionava a baixa pressão, ou seja, o vapor 
era usado imediatamente. Tal qual deixou a 
caldeira para o cilindro. Essas máquinas a 
vapor eram enormes em comparação com a 
energia fornecida. Para instalação em veículos autopropulsados, portanto, um design 
de motor a vapor menor e mais leve era necessário para a mesma potência. 
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Este problema levou à criação de máquinas a vapor de alta pressão. Nas 
máquinas a vapor de alta pressão, a pressão se acumula no interior da caldeira em 
vez de expulsar o vapor de água no cilindro à medida que ocorre. Este objetivo foi 
alcançado mais tarde, graças à invenção do capacitor externo. No condensador 
externo, a distribuição das gavetase do mecanismo da manivela (o que lhe permite 
criar um movimento de rotação em vez de simplesmente como uma alternativa até 
então) permitiu passar de aplicações esporádicas a um uso geral no transporte e na 
indústria. Os méritos de tal evento são atribuídos a James Watt em 1765. 
A invenção da Watt permitiu reduzir o custo da máquina a vapor, reduzir seu 
tamanho, reduzir o consumo de energia e aumentar a potência disponível. Do primeiro 
modelo com 4,4 kW de potência, locomotivas de 0,4 MW passaram em menos de 20 
anos. 
 
2.3 A máquina a vapor na indústria 
 
A máquina a vapor, permitiu ter um poder maior do que poderia ser obtido 
com os recursos disponíveis até então. Por exemplo, um cavalo correndo pode 
produzir 8 kW para distâncias curtas, mas para funcionar um dia não pode produzir 
mais de 0,7 kW). Essa evolução tem desempenhado um papel fundamental na 
revolução industrial. 
O desenvolvimento da máquina a vapor facilitou a extração e o transporte de 
carvão. A redução dos custos da exploração do carvão contribui para reduzir os custos 
do uso da máquina a vapor. A segunda aplicação da máquina a vapor foi para mover 
o fole em fundições em 1776, enquanto em 1787 também era usado para girar roupas 
de algodão. 
 
3 MOTOR A VAPOR 
 
O diagrama a seguir mostra os componentes principais de um motor a vapor 
de pistão. Este tipo de motor seria característico numa locomotiva a vapor. 
7 
 
 
O motor mostrado é um motor a vapor de dupla atuação porque a válvula 
permite vapor sob alta pressão entrar alternadamente em ambos os lados do cilindro. 
A animação a seguir mostra a máquina em ação: 
 
A válvula corrediça é responsável por permitir que o vapor em alta pressão 
entre em qualquer lado do cilindro. A haste de comando da válvula é geralmente 
conectada a uma ligação com a cruzeta, de modo que seu movimento faça a válvula 
funcionar deslizando. Na locomotiva a vapor, este arranjo também permite ao 
maquinista fazer o trem dar ré. 
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O vapor, depois de usados, é simplesmente expelido, saindo para a 
atmosfera. Esse fato explica duas coisas sobre locomotivas a vapor: 
 
 Por que se deve carregar água na estação - a água é constantemente 
perdida com a descarga de vapor. 
 O som "tchu-tchu" que vem da locomotiva - quando a válvula abre o cilindro 
para liberar a descarga de vapor, este escapa em pressão muito alta, 
fazendo o som "tchu" quando sai. Quando o trem dá partida, o pistão se 
move muito lentamente, mas quando o trem começa a andar o pistão ganha 
velocidade. O efeito disto é o "tchu... tchu... tchu... tchu-tchu-tchu-tchu" que 
ouvimos quando o trem começa a se mover. 
Numa locomotiva a vapor, a cruzeta normalmente se liga a uma haste motriz, 
e daí às hastes de acoplamento que acionam as rodas da locomotiva. 
 
3.1 Caldeiras 
 
O vapor de alta pressão para um motor a vapor vem de uma caldeira. O 
trabalho da caldeira é aquecer a água para gerar vapor. Há dois métodos: tubo de 
fogo e tubo de água. 
A caldeira com tubos de fogo era mais comum nos anos 1800. Ela consiste 
em um tanque de água atravessado por canos. Os gases quentes do fogo de carvão 
ou madeira atravessam os canos para esquentar a água no tanque, como mostrado 
aqui: 
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Numa caldeira com tubos de fogo, o tanque todo está sob pressão, então se 
o tanque estourar, gera uma grande explosão. 
Mais comuns hoje são as caldeiras tubulares de água, nas quais a água 
corre através de um conjunto de tubos que ficam na passagem dos gases quentes do 
fogo. O diagrama simplificado a seguir mostra um esboço de uma caldeira de tubos 
de água: 
 
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Numa caldeira real, tudo é muito mais complicado porque o objetivo dela é 
extrair todo o calor possível do combustível queimado para melhorar a eficiência. 
 
3.1.1 Caracterização 
 
Combustíveis mais usados para geração de calor: lenha, gás e óleo. 
Eficiência do sistema: 80% a 90%. Temperatura do vapor gerado: entre 140ºC e 
150ºC. Pressão do vapor gerado: entre 270 kPa e 385 kPa (2,7 bar e 3,85 bar). 
Mas por que vapor d’água? O vapor de água apresenta várias qualidades 
que tornam seu uso atraente para atividades industriais: 
 Alto poder de armazenamento de energia sob a forma de calor; 
 Transferência de energia a temperatura constante; 
 Capacidade de possibilitar transformação de energia de calor para outras 
formas; 
 Uso cíclico e em vários níveis de pressão e temperatura. • Limpo, inodoro, 
insípido e não tóxico; 
 Fácil distribuição e controle. 
 Matéria-prima (água) de baixo custo. 
É o vapor gerado após a mudança de fase da água de líquido a vapor, à 
temperatura de ebulição. Pode ainda estar úmido. Vantagens: 
 Baixa complexidade e custos. 
É o vapor (seco) gerado a partir do vapor saturado, onde este sofre uma 
elevação de temperatura. Vantagens: 
 Quase sem formação de condensado (maior eficiência de troca térmica). 
 
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Usados além de aquecimento para trabalho mecânico (bombas, 
temperaturas constantes, compressores, geradores, etc). Desvantagens: 
 Grande formação de condensado; 
 Sistema de geração de vapor mais complexo e caro. 
 
3.1.2 Tipos 
a) Caldeira Flamotubulares 
 
Também chamadas de 
tudo-de-fogo, tubo-de-fumaça ou 
pirotubular, as caldeiras 
flamotubulares são as mais 
antigas e simples, embora ainda 
sejam muito populares. 
Os gases de 
combustão passam no interior de 
tubos ou serpentinas que estão 
imersos em água. É o mais 
comum em laticínios, pela menor potência (até 30 t/h), menor consumo de vapor e 
menores pressões (até 20 kgf/cm2). Geram somente vapor saturado, uma vez que 
este sai de um vaso com água líquida até pelo menos sua metade, sem receber 
qualquer aquecimento posterior. 
Nela o gás ou combustível que queima é levado por ventilador até os tubos 
e descarregado ao final na atmosfera pela chaminé. O calor dos gases que fluem 
internamente aos tubos é conduzido através da parede dos tubos para a água externa 
aos tubos. Então, a água atinge seu ponto de ebulição e forma-se vapor válvula de 
vapor pode ser aberta e o vapor coletado é direcionado para as linhas de vapor da 
indústria. O queimador é ligado e desligado continuamente, mantendo a pressão de 
vapor constante, ao mesmo tempo em que a vazão de água é mantida constante. 
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Quando a pressão do vapor é excedida, a válvula de segurança abre, liberando o 
vapor em excesso. 
 
b) Caldeiras Aquatubulares 
 
As caldeiras 
aquatubulares surgiram para suprir 
uma demanda que as 
flamotubulares não conseguiam 
cumprir até então. Como elas 
suportam baixas pressões e têm 
uma pequena superfície de 
aquecimento, foi uma maneira de 
aumentar essa capacidade. 
Esse tipo de caldeira tem 
mais rendimento por gerar uma 
maior quantidade de vapor, 
elevando também o nível de 
pressão. 
Isso acontece pelo fato de os tubos, que têm o papel de apenas levar os 
gases nas caldeiras flamotubulares, também serem responsáveis pelo transporte da 
água nessa versão. Dessa maneira, a superfície de aquecimento foi ampliada, 
ocorrendo o mesmo com a produção de vapor. 
Como atendem a uma grande exigência, essas caldeiras são usadas em 
projetos maiores, como os realizados em usinas termoelétricas, por exemplo. Nessas 
empresas, é necessário ter uma maior pressão e produção de vapor nas caldeiras, o 
que não acontece com as flamotubulares, que atendem a uma demanda de trabalho 
menor. 
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Além disso, nesse tipo de trabalho é necessário um maior controle 
operacional e alimentação de combustível, o que apenas as caldeiras aquatubulares 
são capazes de proporcionar. 
3.2 Máquinas à Vapor 
É a denominação dada a qualquer motor que funcione pela transformação 
de energia térmica em energia mecânica através da expansão do vapor de água. A 
pressãoadquirida pelo vapor é utilizada para deslocar êmbolos que permite o 
movimento das rodas de potentes locomotivas. Pode ainda ser empregada, pela 
transformação em energia cinética, ou energia de movimento, em imensas turbinas 
que impulsionam geradores elétricos e gigantescos transatlânticos. Bombas, bate-
estacas e muitas outras máquinas são comandadas por máquinas à vapor. 
O desenvolvimento da máquina à vapor no século XVIII contribuiu para a 
expansão da indústria moderna. Até então, os trabalhadores eram executados na 
dependência exclusiva da potência dos músculos dos operários e da energia animal. 
Do vento ou da água. Uma única máquina à vapor realizava o trabalho de centenas 
de cavalos. Fornecia a energia necessária para acionar todas as máquinas de uma 
fábrica. Uma locomotiva à vapor podia deslocar cargas pesadas a grandes distâncias 
em um único dia. Os navios à vapor ofereciam transporte rápido, econômica e seguro. 
3.3 Como funciona uma máquina à vapor 
 
Uma máquina à vapor 
não cria energia, utiliza o vapor 
para transformar a energia 
calorífica liberada pela queima de 
combustível em movimento de 
rotação e movimento alternado de 
vaivém, afim de realizar trabalho. 
Uma máquina à vapor possui uma 
fornalha, na qual se queima 
carvão, óleo, madeira ou algum 
outro combustível para produzir 
energia calorífica. Em uma usina 
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atômica um reator funciona como uma fornalha e a desintegração dos átomos gera o 
calor. Uma máquina à vapor dispõe de uma caldeira. O calor proveniente da queima 
de combustível leva a água a transformar-se, e ocupa um espaço muitas vezes maior 
que o ocupado pela água. 
Essa energia de expansão pode ser aproveitada de duas formas: (1) 
deslocando um êmbolo num movimento vaivém ou (2) acionando uma turbina. 
 
3.4 Equipamento de Segurança 
 
A válvula de segurança é o 
equipamento de segurança mais importante 
numa caldeira. Em uma caldeira, assim como 
numa panela de pressão de cozinha, por ser 
um recipiente rígido, à medida que o calor é 
fornecido à água, a pressão aumenta (até a 
PMTA – Pressão Máxima de Trabalho 
Admissível) junto com a temperatura até que 
aconteça a abertura da válvula de segurança 
pela própria pressão do vapor. Esse 
acionamento pode também ser manual pelo 
operador, liberando excesso de vapor para a 
atmosfera, evitando sobrecarga de vapor na caldeira e possibilidade de explosão. 
 
15 
 
4 TEORIAS APLICADAS 
4.1 Tabelas de Vapor Saturado 
 
A tabela de vapor saturado é uma ferramenta indispensável para todos 
engenheiros que estiverem trabalhando com vapor. Ela é tipicamente utilizada para 
determinar a temperatura do vapor saturado a partir da pressão do vapor ou vice-
versa, pressão a partir da temperatura do vapor saturado. Em adição à temperatura e 
pressão, estas tabelas geralmente incluem outros valores relativos tais como entalpia 
específica (h) e volume específico (v). 
O dado encontrado na tabela de vapor saturado sempre se refere ao vapor 
em um ponto de saturação particular, também conhecido como ponto de ebulição. 
Este é o ponto onde a água (líquido) e o vapor (gás) podem coexistir na mesma 
temperatura e pressão. Como a H20 pode ser tanto líquido ou gás neste ponto de 
saturação, dois conjuntos de informações são requeridas: uma informação para a 
água saturada (líquido), na qual é tipicamente marcada com um "f" subscrito, e uma 
informação para o vapor saturado (gás), na qual é tipicamente marcado utilizando um 
"g" subscrito. 
 
*Limite estabelecido. 
 
 
16 
 
4.2 Rendimento das máquinas térmicas 
 
Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia 
utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida: 
Considerando: 
η = rendimento; 
𝜏 = trabalho convertido através da energia térmica fornecida; 
Q1 = quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento; 
Q2 = quantidade de calor não transformada em trabalho. 
𝜂 =
𝜏
|𝑄ଵ|
 
Mas como constatado: 
𝜏 = |𝑄ଵ| − |𝑄ଶ| 
logo, podemos expressar o rendimento como: 
𝜂 =
|𝑄ଵ| − |𝑄ଶ|
|𝑄ଵ|
 
O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina não realizar nenhum 
trabalho, e o máximo 1, se fosse possível que a máquina transformasse todo o calor 
recebido em trabalho, mas como visto, isto não é possível. Para sabermos este 
rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%. 
 
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4.3 Cálculo do Rendimento de um Gerador de Vapor (GV) 
 
A principal forma de se avaliar um gerador de vapor, seria quanto a sua 
eficiência na conversão da energia contida no combustível necessária para se 
produzir vapor. 
Obviamente, cada situação deve ser avaliada com cuidado. 
Economicamente nos dias atuais, esperamos que o gerador apresente o maior 
rendimento possível. Porém existe situações onde o rendimento do gerador é reduzido 
propositadamente devido a alguns fatores. Ex.: Empresa produz grande quantidade 
de resíduos, e estes são utilizados como combustível. Devido à grande 
disponibilidade, deve-se reduzir a eficiência para que os resíduos não se tornem um 
passivo ambiental. 
Para se determinar a eficiência, devemos levantar diversas informações, 
desde o tipo de equipamento até as perdas, quantidade de vapor produzido e 
combustível utilizado. 
 
4.4 Perdas de calor num GV 
 
Basicamente são as parcelas de calor não aproveitadas ou perdidas na 
produção de vapor. Ocasionais: Decorrentes de má operação ou deficiência de projeto 
ou equipamentos. (São os piores e devem ser eliminados). 
Normais: 
Intrínseco a cada gerador, 
pré-fixadas pelo projeto, 
fazendo parte da operação 
do equipamento. Nas 
fornalhas: Na combustão 
incompleta, cinzas, 
irradiação das paredes das 
fornalhas, dos gases de 
exaustão, parada, partida e 
18 
 
variação de carga do GV. Perdas em outras partes do GV. Vazamentos e 
principalmente por problemas de isolamento térmico. 
Com a utilização de materiais isolantes, pode-se retardar ou atenuar o fluxo 
de calor entre o GV e o meio. Tipos: Fibras cerâmicas, lã de vidro, refratários, sílicas 
e silicatos. 
 
4.5 Rendimento Térmico de um GV 
 
A transferência de calor em geradores de vapor é um complexo conjunto de 
fenômenos que envolvem troca de calor por radiação, convecção e condução térmica. 
O equacionamento teórico deste conjunto é complicado e exaustivo e grande parte do 
conhecimento adquirido e aplicado a troca de calor em caldeiras e fornos em geral é 
fruto de relações empíricas obtidas por tentativa e erro. Muitas informações e dados 
sobre a troca de calor em caldeiras são propriedades dos fabricantes de 
equipamentos e, por razões óbvias, não estão disponíveis na literatura aberta. As 
caldeiras devem ser dimensionadas de maneira a encontrar um compromisso ótimo 
entre o custo de investimento, representado pelas características e dimensões das 
superfícies de troca de calor, e o custo operacional, representado pelo rendimento 
térmico global do equipamento, objeto de nosso estudo neste momento. Para tanto, o 
conhecimento pleno da troca de calor relativo a caldeiras é primordial, porém, muitas 
vezes isto só é obtido após a construção e operação do equipamento. Dados obtidos 
com determinado tipo ou configuração de superfícies de troca de calor não são 
aplicáveis plenamente a configurações diferentes. 
Segundo os conceitos termodinâmicos, e estabelecendo 
um volume de controle para o equipamento, sabemos que: 
Balanço de energia. Deve ser realizado de maneira 
criteriosa visando identificar os principais pontos. 
Rendimento térmico ou eficiência térmica de um GV consiste na fração do 
calor liberado pelo combustível na fornalha, que é absorvido pela água através dos 
elementos do equipamento. 
19 
 
Eficiência Bruta = (Qútil / Qtotal) * 100 Qútil = Calor Útil (W=J/s) Qtotal =Calor 
Total(W=J/s) 
Calor Total (Qtotal) corresponde ao calor capaz de ser gerado pelo 
combustível ao ser queimado na fornalha. Qtotal = (mcomb * PCI) 
Onde: 
mcomb = quantidade de combustível utilizado (Kg/s) PCI = poder calorífico 
inferior do combustível (J/Kg) 
Calor Útil (Qútil) corresponde ao calor realmente aproveitado na geração de 
vapor, ou seja, aquele transmitido à água para transformá-la em vapor. Qútil = D * (hvapor 
– hágua). 
Onde: 
D = Descarga de vapor gerado pelo equipamento (kg/s) hvapor = entalpia do 
vapor gerado (J/kg) hágua = entalpia da água de alimentação (J/kg) 
Desta forma, Qperdido = Qtotal - Qútil Onde: Qperdido = Calor Perdido (J/s) Qperdido 
= 𝚺 Qperdidos (soma de todas as parcelas perdidas) 
Muitas vezes o gerador de vapor possui diversos subsistemas que 
demandam potência para seu acionamento, como por exemplo, bombas de circulação 
interna e ventiladores de exaustão e insuflamento. Assim, o cálculo da eficiência 
térmica de um GV, pode ser refinado ao se considerar mais pontos de entrada no 
balanço energético (devendo assim ser alocados na parcela da energia total e 
considerado no balanço de energia), ao considerar esta situação, o cálculo é 
denominado de Eficiência Líquida. 
Exemplo: Calcular a eficiência térmica bruta e líquida de um GV levando em 
consideração: Caldeira tipo: Flamo tubular Produção de Vapor: 2000 kg/h, 170°C, 
0,8MPa, =1, hv = 2431 KJ/kg Água de alimentação: 20°C, h = 302 KJ/kg 
Consumo de combustível = 563 kg/h PCI do combustível: 12000 KJ/kg 
Potência demanda pelos sistemas auxiliares (Insuflamento e Tiragem): 0,2KW O 
rendimento térmico é fator indispensável na análise de seleção. Assim é possível 
estabelecer qual seria o equipamento mais indicado para satisfazer a uma 
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determinada instalação industrial, calefação ou geração de energia elétrica. Além do 
rendimento, alguns fatores podem ser considerados: Tipo e características do 
combustível, Equipamento de combustão, Pressão e temperatura do vapor gerado, 
Variação da demanda de vapor, Custo de instalação, operação e manutenção, Espaço 
disponível, Amortização do investimento. 
O rendimento térmico é fator indispensável na análise de seleção. Assim é 
possível estabelecer qual seria o equipamento mais indicado para satisfazer a uma 
determinada instalação industrial, calefação ou geração de energia elétrica. 
Além do rendimento, alguns fatores podem ser considerados: Tipo e 
características do combustível, Equipamento de combustão, Pressão e temperatura 
do vapor gerado, Variação da demanda de vapor, Custo de instalação, operação e 
manutenção, Espaço disponível, Amortização do investimento. 
 
4.6 Terceira Lei de Newton 
 
Lei I: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: ou 
as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em 
direções opostas. 
A Terceira lei de Newton, ou Princípio da Ação e Reação, diz que a força 
representa a interação física entre dois corpos distintos ou partes distintas de um 
corpo. Se um corpo A exerce uma força em um corpo B, o corpo B simultaneamente 
exerce uma força de mesma magnitude no corpo A — ambas as forças possuindo 
mesma direção, contudo sentidos contrários. Como mostrado no esquema ao lado, as 
forças que os esquiadores fazem um no outro são iguais em magnitude, mas agem 
em sentidos opostos. Repare que, embora as forças sejam iguais, as acelerações e 
ambos não o são necessariamente: quanto menor a massa do esquiador maior será 
sua aceleração. As duas forças na terceira lei de Newton têm sempre a mesma 
natureza. A exemplo, se a rua exerce uma força ação para frente no pneu de um carro 
acelerando em virtude do atrito entre este pneu e o solo, então também é uma força 
de atrito a força reação que empurra o asfalto para trás. De forma simples: a força é 
a expressão física da interação entre dois entes físicos: há sempre um par de forças 
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a agir em um par de objetos, e não há força solitária sem a sua contraparte. As forças 
na natureza aparecem sempre aos pares e cada par é conhecido como uma par ação 
– reação. 
Aplicando a terceira lei de Newton encontramos a reação Normal. Em física, 
força normal é uma força de reação que a superfície faz em um corpo que esteja em 
contato com esta, essa força é normal à superfície. É utilizada para calcular a força 
de atrito. Lembrando que a força normal é igual, EM MÓDULO, a força peso no caso 
de planos paralelos e coincidentes, mas não constituem um par de ação e reação. A 
força peso é uma força de campo, enquanto a força normal é uma força de contato. 
Para constituírem um par de ação e reação, ambas deveriam ser forças do mesmo 
tipo. Quando se pressiona uma campainha há a força normal do seu dedo contra a 
campainha, ao mesmo tempo que existe a reação (Terceira lei de Newton): a 
campainha faz força contra o seu dedo. É a força de superfície contra superfície. A 
força normal existe sempre que há contato entre o corpo e a superfície de apoio, 
independentemente de essa superfície ser ou não horizontal. A direção da força é 
sempre perpendicular à superfície de apoio. 
 
4.6.1 Energia 
Podemos encontrar vários tipos de energia, dos quais se destacam duas 
categorias associadas ao movimento: energia potencial (energia de posição) e energia 
cinética (energia do movimento), que somadas nos dão a energia mecânica. 
Em = Ep + Ec 
Na categoria geral de energias do tipo potencial estão as energias que 
representam um potencial de interação armazenado por via de uma determinada 
posição relativa. Estas energias podem ser libertadas e convertidas noutras formas 
de energia, alterando o estado do sistema. A energia potencial está associada a uma 
força restauradora (tende a puxar um objeto à sua posição inicial quando o objeto é 
deslocado). 
 
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a) Energia Potencial 
 
A energia potencial é um tipo de energia que está relacionada com a 
configuração do sistema, ou seja, está relacionada com as posições do objeto. 
Podemos dizer também que energia potencial é a energia que pode vir a se torna 
energia cinética. Existem vários tipos de energia potencial, as mais conhecidas são 
as: gravitacional, elástica e potencial de vapor. 
A fórmula da energia potencial gravitacional é: 
Ep.g = m . g . h 
Neste projeto o vapor contido no reservatório tem energia potencial. Quando 
o vapor é liberado uma boa quantidade de energia se transforma em energia cinética 
pois o carrinho irá adquirir movimento. 
 
b) Energia Cinética 
 
A energia cinética é a energia devido ao movimento. É o caso de um corpo 
que recebe energia em forma de trabalho, e todo este trabalho se converte em energia 
de movimento. Esta forma de energia é denominada energia cinética. 
Analisemos o trabalho τ realizado por uma força F sobre um corpo de massa 
m. Neste caso, teremos: 
𝜏 = F.d.cosα 
Para fins de análise, consideremos um objeto se movimentando em uma 
linha reta. Assim, cosα= 0. Deste modo, teremos cosα = 1. O trabalho será então dado 
pela equação: 
𝜏 = F.d 
Ao deslocamento d podemos chamar Δs. Então, teremos uma nova 
expressão: 
23 
 
 
𝜏 = F.Δs 
Tomamos a equação de Torricelli que envolve a velocidade final, vf, a 
velocidade inicial no instante inicial de tempo v0, a aceleração a e o deslocamento Δs: 
vf² = v02 + 2.a.Δs 
Nesta análise, vamos tomar a velocidade inicial como sendo zero. Desta 
forma, teremos para a equação de Torricelli: 
vf² = 2.a.Δs 
Isolamos Δs desta equação e obtemos: 
Δs = vf²/(2 .a) 
Agora, substituímos o equivalente a Δs de (2.c) em (1.c) e obtemos: 
𝜏 = F.vf²/(2 .a) 
Sabemos, da segunda lei de Newton, que a força F atuante sobre o corpo 
de massa m o fará adquirir uma mudança na quantidade de movimento, adquirindo 
consequentemente a já mencionada aceleração a, escrita na equação deEuler: 
F = m.a 
Então, substituímos o resultado para a força na equação (1.d) e obteremos: 
𝜏 = m.a.vf² 
Cancelamos os termos da aceleração a e obtemos: 
𝜏 = mvf²/2 
Conforme dito anteriormente, a energia cinética Ec adquirida pelo corpo de 
massa m é equivalente ao trabalho τ realizado por esta força F. Assim, teremos: 
Ec = 𝜏 
Ec = mvf²/2 
24 
 
4.7 Primeira Lei de Newton Lei I: 
 
Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme 
em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças 
aplicadas sobre ele. 
Conhecida como princípio da inércia, a Primeira lei de Newton afirma que a 
força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é nulo, 
logo a velocidade do objeto é constante. Consequentemente: Um objeto que está em 
repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante aja sobre ele. Um objeto 
que está em movimento não mudará a sua velocidade a não ser que uma força 
resultante aja sobre ele. Newton apresentou a primeira lei a fim de estabelecer um 
referencial para as leis seguintes. A primeira lei postula a existência de pelo menos 
um referencial, chamado referencial newtoniano ou inercial, relativo ao qual o 
movimento de uma partícula não submetida a forças é descrito por uma velocidade 
(vetorial) constante 
No momento em que transformamos a energia potencial em forma de vapor 
em energia cinética, a energia cinética demonstra que o carrinho de a vapor está em 
movimento, e esse continuará em movimento até que seja aplicado uma força contra 
contraria ao movimento. A principal força contraria ao movimento é a Força de Atrito. 
 
4.8 Força de Atrito 
 
Definimos força de atrito como uma força contrária ao movimento de um 
corpo. A força de atrito aparece em razão das rugosidades existentes nas superfícies 
dos corpos. O atrito depende da força normal entre o objeto e a superfície de apoio, 
quanto maior for a força normal maior a força de atrito. Matematicamente podemos 
calcular a força de atrito a partir da seguinte equação: Fat = μ.N., na qual Fat é a força 
de atrito; μ é a constante de atrito do material e N é a força normal, referente à força 
exercida pelo piso no carrinho. 
 
25 
 
4.8.1 Tipos de Força de Atrito 
 
Coeficiente de atrito dinâmico ou cinético: presente a partir do momento que 
o corpo efetua deslocamento. Coeficiente de atrito estático: presente quando o corpo 
se encontra na iminência do movimento, ou seja, no princípio da atuação da força 
externa. A força de atrito estático é maior que a força de atrito dinâmico. Relação 
Velocidade x Atrito 
 
4.9 Relação Velocidade x Atrito 
 
Em condições normais, o automóvel “arranca” sem que as rodas 
escorreguem sobre a estrada, isto é, sem derrapar, e, portanto, o atrito é estático. Se 
o carro “arrancar” derrapando, o atrito é cinético. Pressionando o acelerador, 
aumentamos a velocidade de rotação das rodas, ω, e, portanto, a velocidade do centro 
de massa, vCM (notar que vCM = ωR, sendo R o raio das rodas). A força de atrito 
estático (de módulo variável) tem de aumentar. Enquanto ela não atingir o valor 
máximo, o carro pode acelerar. Como a força de atrito cinético tem módulo inferior a 
esse valor máximo, podemos concluir que se consegue uma maior aceleração ao 
“arrancar” com atrito estático, isto é, evitando que o carro derrape. 
No carrinho esta relação deverá ser bastante relevada pois o sucesso do 
carrinho depende do seu deslocamento e, portanto, derrapadas no início do 
movimento serão apenas desperdício da força acumulada na roda propulsora, 
portanto deverá ser evitada. Por essa razão as rodas possuem faixas antiderrapante 
intercaladas para que o atrito entre a roda e o chão aumente. 
 
26 
 
4.9.1 Velocidade Angular 
 
Para caracterizar a rotação de todos os pontos de uma roda, basta saber 
qual o ângulo formado por um ponto qualquer em relação ao ponto central em um 
determinado intervalo de tempo. 
w = (deslocamento angular)/(intervalo de tempo) = Dj/Dt 
(rad/s) A velocidade angular (w) é expressa por: 
Por essa razão serão usadas rodas maiores no carro a vapor pois para uma 
mesma velocidade do eixo será imprimida uma velocidade menor na roda propulsora 
o que resulta em menor velocidade do centro de massa e por fim menor velocidade 
do carrinho, aumentando o atrito em relação ao chão. O centro de massa do carro 
ficará localizado estrategicamente no centro da caldeira, pois estamos 
considerássemos como um ponto e que normalmente se relaciona com o centro de 
gravidade que por sua vez é o ponto de equilíbrio do corpo. 
 
 
 
27 
 
5 CONCLUSÃO 
 
O grupo concluiu que os motores a vapor são máquinas que transformam energia 
térmica do vapor em energia mecânica utilizando um sistema de aproveitamento deste vapor 
através de transmissão por polias, correias, pistões e engrenagens em movimento de rotação. 
O combustível é gerado por um sistema de resistência elétrica numa caldeira onde o 
calor da combustão é utilizado para produzir o vapor d’água, este vapor gerado é acumulado 
sobre pressão em um reservatório sendo liberado pela válvula de saída e direcionado a roda 
propulsora onde irá converter a energia potencial de vapor em energia mecânica de rotação 
movimentando o carro. 
Acreditamos que o trabalho a grega valor no curso uma vez que conseguimos colocar 
em prática conceitos de termodinâmica aprendidos em sala de aula. 
 
 
28 
 
6 BIBLIOGRAFIA 
 
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