ATPS Termodinâmica - RESOLVIDA - Engenharia Mecânica

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ENGENHARIA MECÂNICA
DIEGO ROBERTO DE CARAVALHO RA: 5212967599 – 5ª fase
JEFERSON LUIS DOS SANTOS RA: 3709598798 – 6ª fase
CHARLES ROBERTO BERG RA: 3709633506 – 6ª fase
PEDRO ROGERIO BRITO LOBO – RA 5295126802 5ª fase
ALESOM DOUGLAS ZDEBSKI – RA 5212967006 5ª fase
FABIO ALVINO DE FREITAS – RA 5670138277 5ª fase
PROFESSOR: JUSCELINO SHINDSI SAKAI
DISCIPLINA:
TERMODINÂMICA APLICADA
JARAGUA DO SUL
2014
Índice
Introdução..............................................................................................................................03
Desafio e Objetivo..................................................................................................................04
ETAPA 1..................................................................................................................................05
ETAPA 1..................................................................................................................................06
ETAPA 1..................................................................................................................................07
ETAPA 1..................................................................................................................................08
ETAPA 2..................................................................................................................................09
ETAPA 2..................................................................................................................................10
ETAPA 2..................................................................................................................................11
ETAPA 2..................................................................................................................................12
ETAPA 2..................................................................................................................................13
ETAPA 2..................................................................................................................................14
ETAPA 3..................................................................................................................................15
ETAPA 3..................................................................................................................................16
ETAPA 3..................................................................................................................................17 ETAPA 3..................................................................................................................................18 ETAPA 3..................................................................................................................................19
ETAPA 3..................................................................................................................................20
ETAPA 3..................................................................................................................................21
ETAPA 4..................................................................................................................................22
ETAPA 4..................................................................................................................................23
ETAPA 4..................................................................................................................................24
ETAPA 4..................................................................................................................................25
ETAPA 4..................................................................................................................................26
ETAPA 4..................................................................................................................................27
Bibliografia.............................................................................................................................15
Introdução
Seguindo nas definições e conceitos fundamentais da termodinâmica, desenvolvemos as etapas desta atividade prática voltado ao estudo do funcionamento do motor de um veículo a partir dos seus processos termodinâmicos.
Desafio
Máquinas Térmicas são utilizadas para realizar trabalho ao receberem calor — por exemplo, turbinas e motores. Os motores de automóveis são os mais conhecidos e estudados quando se trata de ciclos termodinâmicos. Esses motores de explosão são compostos basicamente de um cilindro, válvula de admissão, válvula de escape e uma vela de ignição e, como outras máquinas térmicas, operam de forma cíclica, voltando ao seu estado inicial antes de iniciar outro ciclo.
Objetivo do desafio
	O desafio é promover o estudo do funcionamento do motor de um veículo. Este desafio é importante para que o aluno adquira uma sólida base conceitual dos processos termodinâmicos, capacitando-o a aplicar a teoria estudada em sala de aula para o desenvolvimento de qualquer outro projeto relacionado ao mesmo assunto.
ETAPA 1
Aula-tema: Definição e Conceitos Fundamentais. Substâncias Puras e Propriedades.
Passo 1
Pesquisar em livros da área a definição da palavra termodinâmica, inclusive a origem etimológica, e também o que é um sistema termodinâmico. Pesquisar, ainda, os principais cientistas que contribuíram para o desenvolvimento da Termodinâmica Clássica.
Definição da palavra termodinâmica: (Substantivo feminino. Ciências Naturais), parte da Física que investiga as relações entre Calor, Trabalho e outras formas de energia, e em especial a transformação de um tipo de energia em outra. 
A Termodinâmica do Grego: THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia; DYNAMIS – FORÇA. Embora vários aspectos pelos quais a Termodinâmica é conhecida vem desde a Antiguidade, seu estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do Calor como força motriz. Atualmente: espectro bastante abrangente, como ciência da ENERGIA e das relações entre as Propriedades da matéria. Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria. Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança.
	Sistema Termodinâmico: Consiste em uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que desejamos calcular. Um importante passo em toda análise em engenharia é a identificação precisa do objeto a ser estudado. Em mecânica, quando o movimento de um corpo precisa ser determinado, normalmente o primeiro passo é a definição de um “corpo livre” e depois a identificação de todas as forças externas exercidas sobre ele por outros corpos. A segunda lei do movimento de Newton é então aplicada. Então o sistema para análise pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa. Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado “meio” ou “vizinhança”.
Os tipos de sistemas: Sistema Fechado é o sistema termodinâmico no qual não há fluxo de massa através das fronteiras que definem o sistema. Volume de Controle é o sistema termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de controle que define o sistema. Os principais cientistas que contribuíram para o desenvolvimento da Termodinâmica Clássica foram:
- James Watt (1736-1819) - Revolução industrial
- Joseph Black(1728-1799) - fluido imponderável chamado “calórico”, calor latente;
- Sadi Carnot(1796-1832 )- ciclo de Carnot, analogia máquina a vapor;
- Antoine Laurent de Lavoisier - foi o 1º a enunciar o principio da conservação da matéria;
- Benjamin Thompson;- James Prescott(1818-1889).
Passo 2
1 - Pesquisar como funciona o sistema de refrigeração de um motor, qual é o tipo de substância utilizada como líquido de arrefecimento e quais as suas propriedades.
Existem dois tipos de sistemas de arrefecimento encontrados em carros: arrefecimento a líquido e arrefecimento a ar. O sistema de arrefecimento a líquido faz circular um fluido por mangueiras e partes do motor. Ao passar pelo motor quente o líquido absorve calor, resfriando o motor. Depois que o fluido deixa o motor ele passa por um trocador de calor, ou radiador, que transfere o calor do fluido para o ar que passa pelo radiador. Já o sistema de Arrefecimento a ar, alguns carros mais antigos (o Fusca e seus derivados, por exemplo) e uns poucos contemporâneos usam motores refrigerados a ar. Em vez de haver um líquido circulando pelo motor, o bloco e o cabeçote são dotados de aletas que aumentam a área de absorção de calor e de contato com o ar, conduzindo o calor para longe do motor. Uma potente ventoinha força o ar sobre essas aletas, que resfriam o motor ao acelerar a transferência de calor para o ar. Quando o motor é exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, a ventoinha pode ser dispensada. A água é um dos fluidos mais eficazes na conservação de calor, mas ela congela numa temperatura muito baixa para ser usada em motores de automóveis. O fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etileno-glicol (C2H6O2), também conhecido como aditivo de radiador ou anticongelante. Adicionando-se etileno-glicol à água, os pontos de ebulição e de congelamento melhoram significativamente. Água pura 50/50 C2H6O2 /Água  70/30 C2H6O2/Água.
Ponto de congelamento -0º C -37º C -55º C. Ponto de ebulição 100ºC 106ºC 113°C.
2 - Comparar a quantidade de água e de ar necessárias para proporcionar a mesma refrigeração a um motor de automóvel.
Q = m.c.∆T 
m.cH2O.∆T = m.car.∆T m.H2O = c.H2O.m.ar.C.ar
c.H2O = 4.186 J\Kg.K = 4.186 J\Kg.K c.ar = 1.000J\Kg.K 
Passo 3
1 - Pesquisar qual a faixa de temperatura em que geralmente o líquido de arrefecimento opera, e o tipo de termômetro utilizado para fazer essa medição da temperatura do motor do carro.
 	O principal soluto nos líquidos de arrefecimento é o etileno glicol, (1, 2 etanodiol), álcool de fórmula HO-CH2CH2-OH. A sua temperatura de congelamento é de -12,9oC, e a de ebulição é de 197,3º.A adição de 50% de etileno glicol à água de arrefecimento faz com que a temperatura de congelamento seja inferior a -33C, e a de ebulição, superior a 160ºC. Para medir a temperatura é utilizado um sensor temperatura líquido de arrefecimento que informa à central a temperatura do líquido de arrefecimento, o que é muito importante, pois identifica a temperatura do motor. Nos momentos mais frios o motor necessita de mais combustível.
2 - Justificar a importância desse tipo de medição em relação à combustão do combustível.
	Quando se faz a regulagem da temperatura do fluido, o motor trabalha na sua temperatura normal e aumenta o rendimento do motor e consequentemente reduz o consumo de combustível.
3 - Justificar a importância desse tipo de medição em relação à combustão do combustível.
 	Temperaturas: -12ºC para congelamento e 197,3ºC para ebulição 
 	Para Kelvin = ºC + 273,15 então:
 	Temperatura congelamento = -285.15ºK. 
 	Ebulição 470,45ºK.
 	Para Fahrenheit = ºC x 1,8+32.
 	Congelamento = -53,6ºF.
 	Ebulição =387,14ºF. 
4 - Comentar sobre a utilização dessas outras escalas em outros países.
 	A escala Celsius é usada em quase todo o mundo cotidianamente, apesar de ter sido chamada de centigrama até o final de 1980 e início de 1990, principalmente em previsões do tempo em redes de rádio e televisão europeias como a BBC, a ITV, e RTÉ. 
 	A escala Fahrenheit foi utilizada principalmente pelos países que foram colonizados pelos britânicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de língua inglesa, como os Estados Unidos O kelvin (símbolo: K) é o nome da unidade de base do Sistema Internacional de Unidades (SI) para a grandeza temperatura termodinâmica. O kelvin é a fração da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.
Passo 4
 	Comparar o coeficiente de dilatação térmica da gasolina e do álcool e verificar em que horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis, baseado em propriedades físicas como densidade e temperatura.Álcool 
Massa especifica = 0,79 Kg\dm3
Coeficiente de dilatação = 1100 x 10-6(0 – 60ºC) 
Ponto de fusão ºC  = -114,1 
Ponto de ebulição ºC  = 78,3 
Gasolina 
Massa específica = 0,66 Kg\dm3 
Coeficiente de dilatação = 9,6 x 10-4 (20 - 220ºC) 
Ponto de fusão ºC = -95,3 
Ponto de ebulição ºC = 68,74 
Os líquidos se comportam como os sólidos, sofrendo uma dilatação volumétrica quando submetidos a uma variação de temperatura. A dilatação aumenta o seu volume, mas mantém sua massa constante, então, 10 kg de água possui diferentes volumes a 10 °C e 30 °C. 
Ao abastecer pagamos pelo volume abastecido e não pela massa de combustível é mais vantajoso abastecer em um horário em que essa massa de gasolina ocupa o menor volume possível. O combustível quanto mais frio maior sua densidade (relação entre massa e volume), então, é melhor abastecer nessa situação.
O melhor horário para abastecer o seu veículo, então, é no início da manhã, pois o combustível no tanque do posto estará mais frio. 
ETAPA 2
Aula-tema: Primeira Lei da Termodinâmica.
Passo 1 
Pesquisar em livros da área a Primeira Lei da Termodinâmica, descrevendo a equação matemática que representa essa lei.
A primeira lei da termodinâmica consiste no princípio da conservação de energia e pode ser aplicado em qualquer processo em que o sistema troca energia com o meio externo na forma de calor e trabalho. Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras: 1°- Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (W), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (Transformação Isométrica, t = 0); 2°- A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (Transformação Isotérmica ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho. ΔU= Q – W Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho W por ele realizado durante uma transformação. Aplicando a lei de conservação da energia, temos seguinte equação: 
Equação: (ΔU= Q – W à Q = ΔU + W)
Q - Quantidade de calor trocado com o meio:  Q > 0 à o sistema recebe calor;  
Q < 0 à o sistema perde calor. 
ΔU - Variação da energia interna do gás:  ΔU > 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;  ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui. 
 W - Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:  W > 0 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;  W < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.
Passo 2
1 - Pesquisar, em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, os modos de transferência de calor que ocorrem nos motores automotivos, as equações envolvidas e o significado de cada termo, e como esses modos afetam o desempenho do carro.
Condução: Modo de transferência líquidos e sólidos em repouso. A intensidade é função do material e do gradiente de temperatura. É a forma de transferência de calor no cabeçote, paredes do cilindro, pistão, bloco e coletores, onde:
q = fluxo de calor (W/m²), k = condutibilidade térmica (W/m/K), A = área transversal de transferência (m2). 
Convecção: No motor a convecção é forçada, em regime turbulento, pois existe bombeamento dos fluidos; Depende de relações empíricas específicas para cada tipo de geometria e escoamento; Convecção é aforma de transferência de calor entre os gases e líquidos e as paredes dos componentes do motor, onde: h = coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²/K), Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K) T= temperatura média do fluido (K).
Radiação: Forma de transferência entre corpos quentes e frios por meio de absorção e emissão de ondas eletromagnéticas; A intensidade é função da diferença de temperaturas; Depende de parâmetros de forma, absorção e emissividade específicos para cada tipo material e geometria; É um modo secundário de transferência de calor entre os gases quentes durante a queima e as paredes do cilindro; É mais significativo em motores de ignição por compressão (ciclo Diesel) devido a presença de fuligem durante uma fase da queima do combustível no cilindro; Existe radiação térmica proveniente do coletor de escape, onde:
Α = constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/m²/K4 € = emissividade Ff = fator de forma Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K) Tg = temperatura média do fluido (K).
2 - Relacionar esses modos de transferência às propriedades dos materiais que compõem o motor.
 	A transferência de calor afeta a eficiência e o desempenho dos motores através dos seguintes parâmetros: Temperatura e pressão dos gases de combustão(afeta potência útil); Consumo específico de combustível; Troca de calor para os gases não queimados, o que limita a taxa de compressão; Aquecimento da válvula de exaustão, que interfere na eficiência volumétrica de admissão; Emissões de CO e HC queimados na exaustão; Temperatura dos gases de exaustão, que controla recuperadores e turbo compressores; Aquecimento do óleo, que gera atrito; Expansão térmica dos componentes (anéis, pistões, cilindros, etc.) carrega o sistema de resfriamento e seus acessórios; Temperatura máxima típica do gás queimado: 2200 ºC (2500 K).
 	Temperatura máxima do material da parede do cilindro: Ferro fundido 400 ºC (673 K). Lubrificante: 180 ºC (453 K). Ligas de alumínio: 300 ºC (573 K). Pico de fluxo de calor para as paredes do cilindro: 0,5 a 10 MW/ m².
Passo 3 
Pesquisar, em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, como ocorre o desperdício na forma de calor no motor de um automóvel, e quais as novas tecnologias baseadas em materiais termoelétricos.
Uma descrição detalhada da distribuição da energia no motor a combustão interna é apresentada por Heywood (1988), mostrando a transformação da energia química do combustível nos diferentes processos de transferência de calor e de realização de trabalho. Pode-se notar que somente uma parte do total da energia da combustão é transferida diretamente ao eixo. Aproximadamente 75% da energia do combustível são perdidos, sendo os restantes aproveitados na forma de trabalho (Bohacz, 2007) gerando energia a partir do calor. Cientistas das universidades do Oregon, Estados Unidos, e do Conselho de Pesquisas da Austrália, descobriram como recuperar essa energia perdida pelos motores a combustão e também como retirar energia das fontes geotérmicas, uma forma de geração de energia limpa e renovável disponível em áreas vulcânicas. Os cientistas criaram um novo tipo de material termoelétrico capaz de converter calor em energia elétrica utilizando nanofios. Dispositivos termoelétricos nanoestruturados poderão ser práticos para aplicações como a recuperação do calor perdido nos motores de automóveis e refrigeradores domésticos mais compactos e silenciosos.
Os pesquisadores Heiner Linke e Tammy Humphrey descobriram que dois objetos podem ter diferentes temperaturas e ainda assim manterem o equilíbrio mútuo em nano escala, um fenômeno essencial para que se possa atingir o desempenho necessário dos materiais termoelétricos na geração de energia elétrica e na refrigeração. 
Materiais termoelétricos
Imagine uma xícara de café sobre uma mesa: o café irá esfriar gradualmente porque as moléculas na xícara transferirão automaticamente o calor do café para a mesa, até atingir o equilíbrio térmico. Esse fenômeno é explicado pelas leis da termodinâmica: o calor irá sempre fluir do mais quente para o mais frio. O problema é que a energia gasta pelos elétrons para fazer essa transferência é simplesmente perdida. Os materiais termoelétricos tentam recuperar essa energia convertendo-a em eletricidade. Mas o fluxo de calor for descontrolado os matérias termoelétricos não funcionam muito bem.
 A descoberta envolve justamente o controle do movimento dos elétrons, utilizando materiais que são estruturados em nano escala. O pesquisadores demonstraram que é possível controlar elétrons que tenham uma energia específica se uma tensão elétrica for aplicada a um sistema elétrico que tiver uma diferença de temperatura. Isto significa que um novo tipo de equilíbrio é alcançado no qual os elétrons não migram espontaneamente do quente para o frio se o material nano estruturado for projetado para permitir apenas o fluxo desse tipo de elétron. Como o sistema não ficará certamente em equilíbrio, o fluxo de elétrons pode ser revertido, permitindo que um equipamento funcione na eficiência máxima possível.
Para os motores de carro, essa eficiência máxima é conhecida como limite de Carnot. Os pesquisadores acreditam que a tecnologia atual já possibilite que seus materiais nanoestruturados criem equipamentos que atinjam 50% do limite de Carnot. Os mais eficientes materiais termoelétricos conhecidos hoje atingem apenas 15% desse limite. O trabalho foi apresentado na Conferência de Dispositivos em nano escala e Integração de Sistemas, realizada em Houston, nos Estados Unidos. 
Passo 4 (Equipe)
Fazer uma relação de potência utilizada em automóveis típicos a gasolina (pequeno, médio, grande), para movimentos realizados a 40 km/h e 80 km/h. Calcular a quantidade de energia que se transfere ao ambiente, se admitir o percurso que um dos integrantes do grupo faz para ir da casa até a faculdade, para cada um desses automóveis, numa velocidade razoável.
Cálculos:
V = 				Ecin perdida = Ecin – w
V = 				Eperdida = 24,68x10³ - 24x10³
V = 			Eperdida = 6,8x10²
Vméd = 
11,11 = 
Vf = 22,22m/s
AUTOMÓVEL PEQUENO 
a = 					Ecin perdida = Ecin – W
a = 				Eperdida = 24,68x10³ - 24x10³
a = 0,024m/s² 				Eperdida = 6,8x10²
W = F. 
W = (100.0,024).10000
W = 24x10³J
Ecin = 
Ecin = 
Ecin = 24,68.10³
AUTOMÓVEL MÉDIO
W = F. 
W = (500.0,024).10000
W = 120x10³J
Ecin = 
Ecin = 
Ecin = 5,55.10³
Ecin perdida = Ecin – W
Eperdida = 5,55x10³ - 120x10³
Eperdida = 666x
AUTOMÓVEL GRANDE
W = F. 
W = (2000.0,024).10000
W = 480x10³J
Ecin = 
Ecin = 
Ecin = 22,22.10³
Ecin perdida = Ecin – W
Eperdida = 22,22x10³ - 480x10³
Eperdida = -457,78x10³
ETAPA 3
Aula-tema: Segunda Lei da Termodinâmica. 
Passo-1 
 	1. Pesquisar em livros da área os diversos enunciados para a Segunda Lei da Termodinâmica, incluindo as concepções sobre a definição de entropia.
	“Só é possível transformar calor em trabalho se dispõe de duas fontes de calor e temperaturas diferentes” (Enunciado de Carnot).
	“É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa temperatura e converter essa energia integralmente em trabalho mecânico sem que haja uma modificação no sistema ou em suas vizinhanças.” (Enunciado de Kelvin).
	“Não há nenhum processo onde o único efeito de energia térmica seja o de transferir energia de um corpo frio para outro quente.” (Enunciado de Clausius).
	“É impossível que uma máquina térmica, operando em ciclos, tenha como único efeito a extração de calor de um reservatório e a execução de trabalho integral dessa quantidade de energia.” (Enunciado de Kelvin-Planck).
2. Representar o diagrama de Ciclo de Carnot e verificar se esse ciclo pode ser proposto ao sistema de motor de explosão de um automóvel.
	 Ciclo de Carnot:
	
	
É um ciclo teórico constituído por duas transformações isotérmicas nas temperaturas T1 e T2, respectivamentedas fontes quente e fria, alternadas com duas transformações adiabáticas.
AB: expansão isotérmica à temperatura T1 (fonte quente). Nesta transformação o gás recebe a quantidade de calor Q1. 
BC: é a expansão adiabática, na qual a temperatura diminui para T2 CD: compressão isotérmica à temperatura T2 (fonte fria). Nesta transformação o gás cede a quantidade de calor Q2 
DA: compressão adiabática na qual a temperatura aumenta para T1. O trabalho obtido por ciclo corresponde à área interna dele.
Passo 2 
Explicar, baseado na Segunda Lei da Termodinâmica, o que ocorre no motor de um automóvel para que o gás aquecido dentro de um cilindro sob pressão venha a colocar o carro em movimento. Discutir também como deve ser o desempenho de um motor que solta faísca “fora de tempo”.
A maioria dos carros utiliza o sistema que é conhecido como ciclo de combustão de quatro tempos, em homenagem a Nikolaus Otto também é chamado de ciclo de Otto. O sistema quatro tempos é definido por 1º Admissão, 2º Compressão, 3º Explosão e Expansão 4º Escapamento.
 1º - Admissão: O pistão desce enquanto aspira uma mistura gasosa de ar e combustível que pode ser gasolina, gás ou álcool, que entra no cilindro através da válvula de admissão (os motores a diesel admitem apenas ar). Durante esse tempo a válvula de escape permanece fechada para que a mistura não saia. A pressão máxima atingida é menor que 1 atmosfera, mantendo-se constante (processo isobárico) e a temperatura fica entre 340 e 400K.
2º - Compressão: A válvula de admissão se fecha enquanto o pistão se move para cima, devido a inércia do virabrequim, comprimindo a mistura gasosa. Nesse tempo, além do aumento de pressão que fica entre 8 e 15 atm., há um aumento de temperatura que fica entre 600 e 750K, porém é um processo adiabático, pois não há transferência de calor nem para fora nem para dentro da mistura. 
3º - Explosão e Expansão: Quando ocorre a máxima compressão uma centelha elétrica na vela de ignição provoca uma explosão que causa um aumento de temperatura, de 2300 a 2700K, nos gases resultantes e um aumento de pressão que fica entre 30 e 50 atm, no interior do cilindro, resultando na expansão da mistura gasosa. Também é um processo adiabático.
4º - Escapamento: No final da expansão a temperatura fica na faixa de 900 a 1100 K e a pressão fica na faixa de 4 a 6 atm. Abre-se então a válvula de escape e praticamente sem variar o volume, o gás que se encontra no interior do cilindro escapa para a atmosfera, reduzindo-se a pressão a 1 atm. A seguir, ainda com a válvula aberta, o pistão sobe, retomando o volume mínimo, expulsando quase todo o gás restante para a atmosfera. Assim se completou o ciclo, pois o volume e a pressão no interior do cilindro voltaram aos seus valores no início. Então, a válvula de admissão novamente se abre, reiniciando-se um novo ciclo.
Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a faísca é solta: o pistão deve estar em fase de compressão e próximo à posição de menor volume do cilindro, pois, nessa situação, o aproveitamento da energia liberada na explosão, para a realização de trabalho, é máximo. Nesse caso, diz-se que o motor está “no ponto”.
Num motor adiantado, a faísca provoca a explosão da mistura de ar e combustível antes do “ponto”. Desse modo, o movimento de subida do pistão é parcialmente freado, resultando numa perda de potência. Num “motor atrasado”, a faísca provoca a explosão após o ponto de maior compressão. Nesse caso, parte do calor que seria utilizado para realizar trabalho é “perdida”, uma vez que na descida do pistão já ocorre o escape dos gases produzidos na combustão, o que resulta também numa perda de potência.
Passo 3 
Entrevistar um mecânico de automóveis para identificar os processos térmicos presentes no funcionamento do motor a combustão interna, a partir das sugestões de questionamentos apresentadas na bibliografia complementar indicada neste passo:
1. Quais são as partes essenciais de um motor?
As partes essenciais de um motor são o Carter o Bloco e o Cabeçote.
O Carter é reservatório do óleo do motor, onde o pescador da bomba fica para pegar o óleo. No bloco vão, arvore de manivela, pistão, bomba de óleo, filtro de óleo, bomba de combustível, rotor. No Rotor o distribuidor, bomba d‘água. No Cabeçote vão as válvulas de admissão e escape.
2. Qual a diferença entre motor de “4 tempos” e de “2 tempos”?
 	A cada percurso de descida do êmbolo de um motor de 2 tempos há uma combustão, ou seja, o pistão sempre desce sob a ação de uma forte força de expansão, gerando um grande torque, porém uma baixa velocidade de rotação do eixo de manivelas. Enquanto que no motor de 4 tempos o êmbolo desce uma vez sob ação da combustão e outra por simples inércia do movimento, isso resulta em um torque mais baixo, porém com uma rotação mais alta. As grandes desvantagens dos motores de 2 tempos convencionais são o seu alto índice de emissão de gases poluentes e o alto desgaste de suas partes móveis, devido ao precário sistema de lubrificação.
3. O que é “taxa de compressão”?
 	É a proporção que indica quanto foi comprimido a mistura de ar-combustível durante a fase de compressão do motor.
4. Quais as diferenças existentes entre os motores que funcionam a álcool, a gasolina e a diesel? 
	Entre o álcool e a gasolina, a diferença é pequena: Ambos trabalham no ciclo Otto e as diferenças básicas são a taxa de compressão e a quantidade de combustível injetada. A explosão e provocada por faísca da vela. Tem carburadores ou injeção eletrônica para injetar combustível. (O álcool é mais barato, mas consome mais que a gasolina, que é mais cara). Já o motor Diesel, trabalha sob o ciclo diesel. Geralmente não tem velas e a explosão é por compressão, por isso necessitam de taxas de compressão bem mais altas, e por isso costumam ser bem maiores e mais pesados. Tem bicos injetores para injetar combustíveis. (mais barato que a gasolina e consome menos)
5. Qual o caminho feito pelo combustível?
 	Do tanque de combustível sendo sugado pela bomba até a flauta onde estão os bicos injetores que pulsam pulverizando combustível junto ao ar que vai para dentro das câmaras de combustão ,onde esta mistura é comprimida e inflamada e queimada liberando energia e consequentemente força mecânica através a expansão do ar que empurra os pistões para baixo movimentando uma manivela que gira, depois que é queimada e o pistão foi todo para baixo e posteriormente pela força da inercia a manivela empurra novamente o pistão para cima , expulsando os gases provenientes desta queima pelo escape.
6. Quais as diferenças existentes entre refrigeração a ar e a água?
Refrigeração a Ar, uma grande ventoinha, acionada pela rotação do motor, mantém o ar em circulação através das aletas. As motos e também alguns automóveis não possuem ventoinha, os motores são externos e dispõem de aletas que aumentam a superfície de troca de calor. Refrigeração a Água, o bloco é permeado por canais. A água retirada da parte inferior do radiador, é bombeada para dentro do bloco, onde circula ao redor de cilindros e através da junta do cabeçote, passando ao lado das câmaras de combustão. Esse sistema possui uma válvula termostática, que se mantem fechada enquanto o motor esta frio e que se abre quando a água atinge uma determinada temperatura, deixando-a a fluir através uma mangueira que a leva de volta à parte superior do radiador.
7. Qual a função do carburador de um carro?
Tem a função de controlar a quantidade de combustível, mistura-lo com o ar e introduzir a mistura na câmara de combustão dos motores.
8. Qual a função do motor de arranque?
Dar um impulso que vence a inércia do motor dando inicio ao ciclo. 
Passo 4 
Pesquisar os tipos de turbo-compressores disponíveis para motores automotivos e verificar as características operacionais, analisar os valores fornecidos para a potência consumida no compressor e a vazão de ar fornecida ao motor. Estimar, também, a eficiência isentrópicados componentes do equipamento.
Turbo-compressor é um equipamento adicionado aos motores de combustão interna que aproveita os gases de escape para injetar ar nos cilindros (câmara de combustão). Um turbo-compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que giram de um lado como turbina e do outro como compressor. O Turbo-compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que funcionam como turbina e compressor.
O turbo-compressor fica ligado ao coletor de escape de um motor a explosão (ou motor a combustão interna), e aproveita a energia dos gases de escape gerados no motor para girar uma turbina conectada por meio de um eixo comum a um rotor o qual tem a função de bombear ar para os cilindros. Esse rotor é um compressor centrífugo, responsável por capturar o ar atmosférico e comprimi-lo na entrada da admissão ou do coletor de admissão do motor através de mangueiras ou tubulações de alta pressão.
O turbo-compressor pode ser: de fluxo axial, radial e de gás de escape.
 Turbo-compressores de fluxo axial são definidos pela maneira na qual o combustível flui através da turbina. Com turbo-compressores de fluxo axial do fluxo de combustível vem através da roda em uma direção axial. Com este tipo de dispositivo de sobrealimentação, expansão do gás de escape cria uma saída o ajuda a turbina para girar o compressor. Como o tamanho do veículo é importante na determinação do turbo-compressor correto do veículo, é importante considerar que os turbo-compressores de fluxo axial são mais comumente usados com veículos com um diâmetro de roda de 300 mm e acima e não seria adequados para veículos menores.
Turbo-compressor de fluxo radial. Com uma vazão de gás que usa os mesmos princípios como o Turbo de fluxo axial, o Turbo de fluxo radial é diferenciado pela estrutura de influxo de gás exclusivo. O influxo de gás centrípeto é dirigido de fora em uma direção radial e define este Turbo para além do modelo de fluxo axial. Geralmente utilizada em veículos com uma rodas de diâmetro inferior ou igual a 160 mm, este tipo de dispositivo de sobrealimentação pode aumentar o poder de um veículo de até n/a cavalos de potência.
Turbo-compressor de gás de escape. Os benefícios de turbo-compressores são muitos, de aumento de velocidade, potência e funcionalidade de motor, mas há benefícios ambientais, também, como o consumo de gás diminuiu. Turbo-compressores de gás de escape têm outra vantagem. Com carregadores de turbo de gás de escape, os gases de escape do veículo é reciclado no compressor para fornecer energia para a turbina. Para fazer isso, um compressor é montado ao lado da turbina do mesmo eixo. A turbina desenha nos gases de escape, que caso contrário iria para a atmosfera, comprime e ele alimenta o motor para fornecer energia extra. Ao contrário de turbo-compressores mecanicamente avançados, nenhum mecânico de engate ocorre no motor.
Eficiência Isentrópica está relacionada ao processo de compressão adiabático e reversível. A equação ilustra a eficiência de cada estágio de compressão:
Onde h0 é a entalpia e T0 é a temperatura de estagnação. Os índices 1 e 3 referem-se aos parâmetros de entrada do rotor e saída do estator, respectivamente, figura abaixo, e o índice s refere-se ao processo isentrópico. 
A eficiência real do estágio é menor que a eficiência isentrópica visto que o aumento da temperatura real em um estágio é maior que o aumento de temperatura que o estágio teria em um processo ideal.
ETAPA 4
Aula-tema: Primeira Lei da Termodinâmica
Passo 1
 	Representar o diagrama p – v idealizado para o Ciclo de Otto num motor a gasolina de 4 tempos e explicar o que ocorre em cada um dos processos nesse ciclo.
				1° Tempo - Abertura da válvula de admissão
A velocidade do avanço da mistura do ar com o combustível é praticamente igual à velocidade do pistão, em consequência ocorre o processo isobárico (A→B), em que o volume aumenta e a pressão permanece praticamente constante.
2° Tempo – Compressão da mistura
Neste tempo o trabalho do pistão sobre a mistura dos fluidos é completamente transformado em energia interna, onde há pressão e temperatura elevadas. Esta condição produz uma compressão adiabática, pois o processo é muito rápido e não há trocas de calor. O volume diminui a medida que a pressão e a temperatura aumentam (B→C).
3° Tempo – Explosão da mistura
Neste trecho ocorre uma explosão e consequentemente o aumento da temperatura e pressão (C→D), mas não uma variação de volume(movimento do pistão), já que a reação química é muito rápida. Na outra parte da explosão (D→E) ocorre uma expansão adiabática devido ao pistão ser empurrado rapidamente com a força da explosão não dando tempo a trocas de calor. Este impulso concebido pela explosão no embolo do pistão é a força aproveitada para gerar o torque no virabrequim.
4° Tempo – Escape dos gases
Nesta etapa ocorre uma descompressão considerada isométrica (E→B), pois uma variação da pressão e da massa da mistura não permite tempo para uma mudança no curso do pistão.
No trecho (B→A) a massa do gás no interior do cilindro diminui na mesma proporção que o volume não ocorrendo uma variação da pressão (processo isobárico).
A seguir o gráfico representa o Ciclo de Otto Ideal da combustão completa da mistura ar/combustível.
(A→B) Ocorre uma expansão isobárica, em que o tamanho do volume da mistura acompanha o deslocamento do pistão. 
(B→C) Haverá uma compressão adiabática da mistura, ou seja, a medida que o volume diminui e consequentemente a pressão e a temperatura aumentam. Este processo é muito rápido não permitindo trocas de calor.
(C→D) Neste processo observamos um grande aumento da pressão e da temperatura, mas o volume permanece constante considerando o processo isovolumétrico devido a reação química do ar/combustível ser muito rápida.
(D→E) Ocorre a explosão fazendo com que o cilindro seja impulsionado diminuindo a pressão devido ao aumento do volume, portanto consideramos uma expansão adiabática.
(E→B) A massa da mistura e uma variação da pressão não deixa ocorrer uma variação do volume no interior do cilindro, por tanto consideramos um processo isométrico.
	(B→A) A quantidade de gás da mistura é comprimida e eliminada do interior do cilindro na mesma proporção da velocidade do cilindro por isso o processo é considerado isobárico.
Passo 2
 	Mostrar que o rendimento do ciclo para uma mistura de ar com vapor de
gasolina (tratada como gás ideal) é dado por: h = 1 .
Através da seguinte equação verifica-se que quanto maior a taxa de compressão, melhor será o rendimento termodinâmico do motor. Isso é também explicado pela reação exotérmica da combustão; assim, quanto maior for a pressão e a temperatura da reação, mais rápida será a reação, aumentando a potência do motor. 
						h = 1 
(h) Eficiência térmica (Ciclo Otto)
(k) Coeficiente adiabática da mistura
 Taxa de compressão
Passo 3 
 	Calcular o rendimento para k = 1,4 e = 10, que são condições para compressão máxima permissível para evitar pré-ignição.
h = 1 
h = 
h = 
						h = 
						h = 
h = 
Passo 4
Elaborar um relatório intitulado Aplicação da termodinâmica no estudo de um motor de automóvel.
Entregá-lo ao professor em data por ele agendada
Aplicação da termodinâmica no estudo de um motor
de um automóvel
O estudo da termodinâmica foi se aprofundando e se autodesenvolvendo as suas necessidades de aplicações do estudo dos sistemas que pode nos fazer compreender melhor o princípio do funcionamento das máquinas térmicas, criadas em XVIII. 
A termodinâmica foi algo que simplesmente revolucionou a indústria, pois durante anos só havia forças externas que possibilitariam realizar trabalho, até que o homem passou a utilizar um processo de transformação de energia térmica em trabalho, função demáquinas térmicas assim como as máquinas a vapor e os motores de combustão interna que tornaram possível maior e mais eficientes produtividades, mas com a invenção das máquinas térmicas o homem tornou-se dependente do combustível, fonte necessária para esta transformação. 
Podemos observar também os sistemas de arrefecimento de um veículo ou máquina onde um óleo escoando nas secções transversais do bloco e do cabeçote do motor e outras partes do automóvel em que superaquecem, tem a função de extrair calor e baseando-se nas leis da Termodinâmica, analisar e manter sua temperatura a níveis seguros de funcionamento. 
Já podemos imaginar e criar uma ideia de como foi se desenvolvendo este estudo e tornando cada vez mais fácil a vida das pessoas. Podemos conciliar a termodinâmica facilmente a aplicação do estudo ao processo de combustão de um automóvel, pois há uma grande liberação de calor e energia, energia térmica que é aproveitada para realizar o trabalho mecânico.
BIBLIOGRAFIA
Sites:
SENSOR DE TEMPERATURA. Disponível em:
<https://docs.google.com/file/d/0B2Dg6M68CsXMXzBRdTFoaW9KNzA/edit?usp=
sharing>. Acesso em: 5 maio 2013.
ATICONGELANTES: Líquidos de arrefecimento e aditivos. Disponível em:
<https://docs.google.com/file/d/0B7hs5suTq5Pdd1FjTVZBcmhQZG8/edit?usp=sha
ring>. Acesso em: 5 maio 2013.
ENTROPIA. Disponível em: <https://docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwVFg2dGIwSGFZOFE/edit>.Acesso em: 5 maio 2013.
SEGUNDA LEI DA TERMODINAMICA. Disponível em: <https://docs.google.com/file/d/0B7hs5suTq5PdbjJEYmtQSG9icDg/edit?usp=sharing>. Acesso em: 8 maio 2013.
AVALIAÇÃO DE PROJETOS DE MAQUINAS PELO ENFOQUE DA: O Caso do Sistema de Turbo-compressores. 2008. Disponível em: <https://docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwSi1BYUE4Z2ljUlk/edit>. Acesso em: 5 maio 2013.