Caderno de atividades fael

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Curitiba
2016
Caderno de Atividades
Física I
Apoena Calil
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Estudo de Caso – Turbo Compressor
O estudo de caso será a análise do processo de adaptação do turbo com-
pressor, e o resultado final visando um desempenho dinâmico, conforto, dura-
bilidade e dirigibilidade do veículo antes e após a adaptação. Veja a Figura 1:
Figura 1: Sistema de turbo compressor
 
Saída de
gases do 
escapamento
da turbina
Disco da
turbina
Descarga
de ar do 
compressor
Entrada de
gases do
escapamento
da turbina
Disco do
compressor
Entrada de ar
ambiente do 
compressor
Carcaça do 
compressor
Carcaça 
da turbina
Fonte: Corpo de Bombeiros Militar do RJ, 2015. 
Daremos ênfase para uma adaptação de turbo compressor que possibi-
lite ganhos de potência entre 60% e 80% do original do veículo.
Para o caso desenvolvido utilizaremos um veículo nacional. O modelo 
utilizado será um GM Corsa hatch, 1,6L, 8 válvulas MPFI, ano 1996. Verifi-
caram-se diferentes metodologias de alimentação, diferentes pressões no cole-
tor e presença ou não de intercooler.
Porém é importante comparar o desempenho da solução adotada com 
outras existentes.
Confira as três soluções:
 2 Aspiração natural:
 2 Sobre alimentação por compressor mecânico (ou blower);
 2 Sobre alimentação por turbo compressor.
Legislação Aplicada ao Direito Ambiental
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1. Aspiração natural
É a maneira mais comum de motores a combustão interna ciclo Otto. 
Para facilitar o entendimento e estudo, focaremos apenas em motores com 
combustível a álcool ou gasolina, deixando o diesel de lado, devido a algumas 
singularidades que possui.
A aspiração natural é caracterizada por:
 2 Dificuldade em se preencher totalmente o cilindro com mistura ar-
-combustível, já que existem perdas de carga no sistema de admis-
são;
 2 Resposta instantânea de entrega de potência, conforme carga no 
acelerador e rotação;
 2 Dificuldade de ganhos de potência expressivos sem perda de dirigi-
bilidade, ou soluções de difícil adaptação.
A maneira clássica de ganho de potência em motores com aspiração 
natural visa manter o torque em um patamar constante e aumentar a rotação 
máxima do motor (BELLS, CORKY, 1997). Dado que:
P = τ × ω
Onde: 
P = Potência [W];
τ = Torque [N.m];
ω = Velocidade Angular [rpm].
Assim, para termos um aumento de 30% na potência máxima, teríamos 
que ter uma elevação de 30% na rotação, para um mesmo torque. Tendo que 
as forças inerciais aumentam quadraticamente com a rotação.
ω² α FInercial
ωNova = 1,30 × ωAntiga → FInercial Nova = 1,69 × FInercia Antiga
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Logo, teríamos um aumento de 69% nas forças inerciais. As forças iner-
ciais têm uma ordem de grandeza igual ao da pressão de combustão em um 
motor de um automóvel moderno. Assim, um aumento desta magnitude 
pode ser danoso ao motor, e certamente irá fatigá-lo rapidamente, já que 
um dos maiores problemas do aumento das forças inerciais é que se alteram 
entre compressão, quando no ponto morto inferior após a queima; e tração, 
quando no ponto morto superior e válvulas de escape e admissão abertas.
Para sabermos se um ganho de 60% a 80% em potência é suficiente para 
aceleração de 0 a 100 km/h ao redor de 8s, será utilizado um modelo para 
verificar a validade da hipótese, levando em conta algumas simplificações:
 2 A aceleração média do veículo será constante;
 2 Haverá duas trocas de marcha, cada uma com 0,25s, totalizando 
uma penalização de 0,5s no resultado;
 2 As perdas dissipativas são pequenas.
Modelo de Carro 1: um veículo nacional, de pequeno porte, GM Corsa 
1,6 8V ano 96.
Massa: 1100 kg (com motorista)
Tempo de aceleração: 11,0 s
Potência original: 92cv = 69 kW
Modelo de Carro 2: um veículo nacional, de pequeno porte, VW Gol 
1,0 16V ano 02, que validará o modelo:
Massa: 1100 kg (com motorista)
Tempo de aceleração aspirado: 16,0 s
Potência de aspiração = 69 cv
Tempo de aceleração turbo: 10,0 s
Potência de turbo = 112 cv
Modelo de Carro 3: um veículo nacional, de médio porte, VW Golf 1,8 
20V Turbo ano 02, que analisará o peso/potência:
Legislação Aplicada ao Direito Ambiental
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Massa: 1300 kg (com motorista)
Tempo de aceleração turbo: 8,2 s
Potência turbo: 150 cv
Ficha do automóvel: GM Corsa Hatch Vinho 1,6L 8v MPFI ano 96
Apresentação do veículo:
Este automóvel foi adquirido com 9700 km já pensando neste estudo (o 
veículo foi escolhido pelo motor e baixa quilometragem). Com o motor GM 
primeira geração de 1,6L e injeção eletrônica.
Figura 2 : Veículo GM Corsa Hatch Vinho 1,6L 8v MPFI ano 96.
Fonte: NAKANO, 2007. 
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Questões Objetivas 
1 - Após ler e interpretar atentamente o estudo do caso de um turbo 
compressor, e observar que existe um modelo padrão e três modelos de carros 
distintos para serem avaliados, pede-se: o tempo médio de aceleração com 
troca de marcha(s), a velocidade média (m/s) e a aceleração média (m/s2), 
relacionados ao carro modelo 1.
Alternativas
a) 0,5 (s) ;27,78 (m/s) ; 5,5 (m/s2).
b) 11 (s) ; 20,72 (m/s) ; 1,88 (m/s2).
c) 10,5 (s) ; 27,78 (m/s) ; 2,65 (m/s2).
d) 11 (s) ; 27,78 (m/s) ; 2,65 (m/s2).
e) 10,5 (s) ; 20,72 (m/s) ; 2,65 (m/s2).
Feedback de Acerto 
A letra C é a resposta correta, pois temos que: 
O tempo médio de aceleração com troca de marcha é:
Δt = taceleração – ttroca de marcha = 11 – 0,5 = 10,5 (s)
A velocidade média é:
vmédia = vfinal – vinicial = 100 (km/h), como a questão pede em metros por 
segundo, é necessário dividir por 3,6, sendo assim vmédia = 27,78 (m/s).
A aceleração média é:
amédia=vmédia / Δt = 27,78 / 10,5 = 2,65 (m/s2) 
Feedback de Erro
As outras alternativas encontram-se erradas devido alguns dos compo-
nentes, ou todos, não serem os verídicos, como nas alternativas em que a 
Legislação Aplicada ao Direito Ambiental
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velocidade é 20, 72 m/s não é o resultado correto da conversão, nesse caso são 
as alternativas A e E que utilizam esse dado.
Ou como no caso das alternativas A, B e D, que colocam os tempos 
errados, ou é o inicial ou o final. 
Nesse caso, como os dados estão errados, consequentemente, quando 
usar a formula da aceleração não se chegará na resposta correta. 
A questão faz parte dos capítulos 1 e 3.
2 - Qual o trabalho realizado, a potência original, a potência turbo e 
a eficiência entre a potência turbo e a original, do carro modelo 1, sendo a 
velocidade usada no estudo do caso.
Alternativas
a) 42,445 kJ - 38,38 kW – 11,000 kW – 1,40
b) 5500 kJ – 53,380 kW - 56,56 kW – 1,40
c) 5500 kJ – 53,380 kW - 11,000 kW – 0,20
d) 424,45 kJ – 38,38 kW - 56,56 kW – 1,10
e) 424,45 kJ - 40,42 kW - 56,56 kW – 1,40
Feedback de Acerto 
Para calcular o trabalho e a potência será usado a formulação que é extra-
ída do princípio da conservação de energia, em que : 
E a potência é a derivada do trabalho em relação ao tempo, ou seja:
E o ganho é dado por:
Feedback de Erro
As demais alternativas não são corretas devido a algum dos componentes 
ter sido calculado com valores errados - como não transformar a velocidade 
para metros por segundo -, dessa forma, erramos na fórmula do trabalho, ou 
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se usamos o valor do tempo errado para o cálculo da potência original, que é 
de 10,5 s, e da potência turbo 11s.
A questão faz parte do capítulo 5.
3 - Qual a força exercida por cada modelo de carro 1 e 3, respectivamente, 
com velocidade constante de 100 km/h (converter para m/s). Supondo que 
o carro possa ter o momento linear do modelo de carro 2, calcule-o. Dica : 1 
CV = 0,745 KW
Alternativas
A) 2,48 (N) ; 4,02 (N) ; 30558 (kg.m/s)
B) 12.100(N); 10.660(N) ; 11.000(kg.m/s)
C) 2.48 (N) ; 5.39(N); 30.558(kg.m/s)
D) 0,69 (N) ; 1,5 ; (N) 11.000(kg.m/s)
E) 0,69(N) ;0,0402(N); 30.558(kg.m/s)Feedback de Acerto 
A alternativa correta é a letra A, isso porque, existe uma relação entre 
força e trabalho que se relaciona com a potência.
Sabemos pelas leis de Newton que originalmente:
F = m × a 
E que o momento linear é dado por :
p= m × v
Onde:
p = momento linear
m = massa
v = velocidade
Legislação Aplicada ao Direito Ambiental
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Ao relacionarmos força com potência temos que:
P = = = Força x VelocidadeTrabalho Força x distância
Tempo Tempo
Isolando a força obtemos:
F = Potência
Velocidade
Feedback de Erro
As questões estão erradas devido ao uso equivocado das conversões, 
como não converter a velocidade, e não converter a potência de CV para KW.
Além desses erros, existe o mais errado deles, que é a aplicação da lei de 
Newton, porque neste caso não pode ser usada, devido a velocidade ser cons-
tante, se a velocidade é constante, a aceleração é nula, logo a força seria zero.
Essa questão faz parte dos capítulos 1, 3, 4, 5 e 6.
4 - Analise as sentenças a seguir, supondo que os automóveis acima 
tenham um ciclo térmico. Utilizando os conhecimentos sobre a primeira e 
segunda lei da termodinâmicam responda cada opção com verdadeiro (V) ou 
falso (F), e depois assinale a alternativa correta. 
( ) Máquina térmica é um sistema que realiza transformação cíclica: 
depois de sofrer uma série de transformações ela retorna ao estado inicial.
( ) É impossível construir uma máquina térmica que transforme inte-
gralmente calor em trabalho. 
( ) O calor é uma forma de energia que se transfere espontaneamente do 
corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
( ) Quando um gás recebe 400 J de calor e realiza um trabalho de 250 
J, sua energia interna sofre um aumento de 150 J.
Alternativas
a) V, F, F, V
b) V, V, F, V
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c) F, V, F, V
d) V, V, V, V
e) F, F, F, F
Feedback de Acerto 
De acordo com a teoria temos que: 
Maquina Térmica: são máquinas capazes de converter calor em trabalho. 
Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, 
uma fonte quente que é de onde recebem calor, e uma fonte fria, que é para 
onde o calor que foi rejeitado é direcionado. Com esta definição, podemos 
verificar que a primeira e segunda sentença são verdadeiras.
Calor é um conceito do âmbito da Física que representa uma forma de 
energia, sendo a energia térmica em movimento entre partículas atômicas. 
A palavra calor também pode remeter para alguma  coisa quente, ou seja, 
com temperatura elevada. 
Com a definição acima de calor também verificamos que a terceira sen-
tença está correta.
Como a fórmula da energia interna temos que: U = Q –W = 400 – 250 
= 150J confirmando, assim, a quarta sentença.
Feedback de Erro
Devido à teoria mostrada acima, todas as outras sentenças estariam erra-
das, por não estarem de acordo com a teoria.
A questão faz parte dos capítulos 9 e 10.
5 – Sabendo-se que os automóveis têm sistema de motores e refrigera-
ção, podemos trabalhar com as leis da termodinâmica, neste caso iremos ana-
lisar o 2° princípio da Termodinâmica, que pode ser enunciado da seguinte 
forma: “É impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos, 
cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente 
em trabalho.” (Só Física). Por extensão, esse princípio nos leva a concluir que: 
a) sempre se podem construir máquinas térmicas cujo rendimento 
seja 100%;
Legislação Aplicada ao Direito Ambiental
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b) qualquer máquina térmica necessita apenas de uma fonte quente;
c) calor e trabalho não são grandezas homogêneas;
d) qualquer máquina térmica retira calor de uma fonte quente e rejeita 
parte desse calor para uma fonte fria;
e) somente com uma fonte fria, mantida sempre a 0°C, seria possível a 
certa máquina térmica converter integralmente calor em trabalho.
Justificativa da Resposta
Nessa questão devemos interpretar o enunciado da segunda lei da ter-
modinâmica e, com isso, iremos excluir as alternativas erradas. 
Não existe uma máquina com rendimento de 100%, logo a letra a) 
está errada.
Existem máquinas térmicas que só trabalham a frio, por exemplo, na 
refrigeração, então a letra b) está errada.
Calor e trabalho são homogêneos, então a letra c) está errada.
Precisa-se de duas fontes para se converter calor em trabalho.
Com isso somente a letra d) é correta, nos baseando no seguinte 
enunciado: 
Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior 
aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata dire-
tamente do rendimento das máquinas térmicas.
Dois enunciados, aparentemente diferentes ilustram a 2ª Lei da 
Termodinâmica, os  enunciados de Clausius e Kelvin-Planck: (Fonte: Só 
Física, 2015).
 2 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.
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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.
 2 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.
A questão faz parte do capítulo 10.
Referências bibliográficas
BELLS, CORKY. Maximum Boost: Designing, Testing and Ins-
talling Turbocharger System (Technical). Reino Unido: Motor Racing 
Publications, 1997.
2ª Lei da Termodinâmica. Só Física. Disponível em: < http://www.sofi-
sica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.
php>. Acesso em: 08 jan. 2016.
NAKANO, Danillo Gabriel. Estudo sobre instalação de um turbo-
compressor em automóvel nacional. 2007, 129f. Dissertação (Mestrado 
em Engenharia Automotiva), Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. 
Disponível em: < http://www.automotiva-poliusp.org.br/wp-content/uplo-
ads/2013/02/nakano_danillo.pdf>. Acesso em: 11 jan. 2016.
TOFFOLI, Leopoldo. Máquina Térmica. InfoEscola: navegando e 
aprendendo. Disponível em: <www.infoescola.com/fisica/maquina-ter-
mica/>. Acesso em: 08 jan. 2016.
O QUE é calor. Significados. Disponível em: <http://www.significa-
dos.com.br/calor/>. Acesso em: 08 jan. 2016.
SEGUNDA lei da Termodinâmica. Física e Vestibular. Disponível em: 
<http://fisicaevestibular.com.br/exe_ter_11.htm>. Acesso em: 08 jan. 2016.
Legislação Aplicada ao Direito Ambiental
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TURBOCOMPRESSORES. Centro de Suprimento e Manutenção 
de Materiais Moto Mecanizados (CSM/Mmoto). Unidade do Corpo de 
Bombeiros Militar do Estado do Rio de Janeiro. Disponível em: <http://
www.csmmoto.cbmerj.rj.gov.br/modules.php?name=News&file=article 
&sid=29>. Acesso em: 08 jan. 2016.