APS CARRO A VAPOR

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ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS 
Carro à vapor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ARARAQUARA 2017 
 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 3 
2. OBJETIVOS ................................................................................................... 5 
3. DESENVOLVIMENTO ................................................................................... 5 
3.1. CALDEIRA ..................................................................................................... 5 
3.2. PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS ........................................................ 6 
3.2.1. VOLUME ESPECÍFICO ................................................................................. 6 
3.2.2. TEMPERATURA ............................................................................................ 6 
3.2.3. PRESSÃO ...................................................................................................... 7 
3.2.4. ENTALPIA ..................................................................................................... 8 
3.3. MUDANÇA DE ESTADO LÍQUIDO-GASOSO .............................................. 8 
3.4. BALANÇO DE ENERGIA PARA SISTEMAS FECHADOS ......................... 10 
3.5. VÁLVULAS .................................................................................................. 11 
4. CONSTRUÇÃO ........................................................................................... 12 
4.1. CALDEIRA ................................................................................................... 12 
4.2. EIXOS E RODAS ......................................................................................... 13 
4.3. ESTRUTURA ............................................................................................... 13 
4.4. COMBUSTÍVEL ........................................................................................... 14 
5. MATERIAIS E CUSTOS .............................................................................. 15 
6. CÁLCULOS E RESULTADOS .................................................................... 16 
7. CONCLUSÃO .............................................................................................. 18 
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 18 
3 
 
1. INTRODUÇÃO 
Máquina a vapor é o nome dado a qualquer motor que funcione pela 
transformação de energia térmica em energia mecânica através da expansão do 
vapor de água. 
O primeiro mecanismo a vapor conhecido na história, foi construído por volta 
do século 1 d.C. e chamado de eolípila. Foi idealizada por Heron, matemático e 
físico de Alexandria, composta por uma esfera de cobre oca e pequena contendo 
água em seu interior, dois canos em forma de L fixados nessa esfera, apoiada em 
um tripé sobre o fogo. Com o aquecimento, a água era transformada em vapor que 
saia pelos tubos fazendo com que a esfera ganhasse um movimento de rotação. 
Figura 1: Eolípila 
 
Fonte: https://vicentemanera.com/tag/eolipila/ 
Em 1729, o inglês Thomas Newcomen inventou uma máquina a vapor com a 
finalidade de bombear água das minas de carvão, assim, resolvendo os problemas 
das inundações. 
O próximo grande avanço seria realizado por James Watt, que em 1763 após 
alguns estudos aperfeiçoou o motor de Newcomen, melhorando seu rendimento com 
a instalação de um condensador que minimizava as perdas de calor. 
Figura 2: Esquema simplificado da máquina de Watt. 
 
Fonte: Barreto, Marcio. Física: Newton Para O Ensino Médio, Papirus Editora, 2002. 
4 
 
A invenção de Watt estimulou o desenvolvimento de máquinas capazes de 
realizar diversos tipos de trabalho, como propulsão de moinhos e tornos, condução 
de locomotivas, atividades fabris diversas e barcos a vapor. 
Bastou o aperfeiçoamento da máquina de vapor para que o engenheiro 
francês Nicolas-Joseph Cugnot criasse, em 1769, a carruagem movida a vapor, uma 
das primeiras versões do que viria a ser o automóvel, que recebeu o nome de 
Fardier. Tratava-se de um veiculo autopropulsionado, um trator de madeira movido a 
vapor projetado para transportar peças de artilharia, que atingia a velocidade de três 
a quatro quilômetros por hora. 
Figura 3: Fardier em exposição no Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris, França. 
 
Fonte: https://www.supercars.net/blog/1769-cugnot-steam-tractor/ 
 
 A mecânica do veículo era baseada em um motor com dois gigantescos 
cilindros verticais e paralelos que transmitiam a força diretamente à árvore de 
manivelas, a qual movia a roda dianteira. O Fardie não foi aperfeiçoado, dado que 
não superava o rendimento de uma carruagem puxada por sete cavalos, no entanto 
a partir de sua criação, foi uma questão de tempo para que os transportes 
passassem por uma grande evolução. 
 
5 
 
2. OBJETIVOS 
Projetar e construir um carro que tenha como mecanismo principal de 
funcionamento um sistema termodinâmico de caldeira com vapor de água à pressão 
de 2,5 bar, capaz de percorrer a distância mínima de 20 metros. 
 
3. DESENVOLVIMENTO 
 Para o desenvolvimento do projeto é necessário ter conhecimento de alguns 
conceitos sobre mecânica, estruturas e principalmente termodinâmica. Alguns 
assuntos importantes relacionados serão tratados nos itens a seguir. 
3.1. Caldeira 
 A caldeira é um equipamento para geração de vapor, são instrumentos 
térmicos que possuem a finalidade de transformar água em vapor de água, 
utilizando para isso a queima de qualquer tipo de combustível. São empregadas em 
empresas de processos industriais que precisam de altas temperaturas. 
 As caldeiras começaram a ser utilizadas na indústria no início do século 18, 
época em que se ainda utilizava o carvão para geração de calor. Os primeiros 
equipamentos surgiram para resolver esse problema, já que a energia era captada 
em uma única unidade central, e podia ser distribuída para os locais necessários, 
através do vapor. 
Figura 4: Esquema básico de uma caldeira. 
 
Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/1256733/ 
 Uma das vantagens da caldeira é atender aumentos na demanda de vapor, 
de maneira praticamente instantânea, já que, podem levar grandes volumes de 
6 
 
água, além disso, são de fácil construção com custo relativamente baixo, e robustas 
o suficiente para suportar o trabalho, não exigindo tratamento de água, podendo ser 
feita com pouca alvenaria e fornecendo pressão elevada. 
 
3.2. Propriedades termodinâmicas 
 Os dados de propriedades termodinâmicas de determinadas substâncias 
podem ser retirados de tabelas, gráficos e equações. Para obter estes dados 
corretamente é importante saber identificar o estado, as variáveis que têm influência 
no processo e compreender o que cada uma significa. 
 Nos itens a seguir serão conceituadas as principais propriedades 
termodinâmicas. 
 
3.2.1. Volume específico 
 O volume específico é definido como o inverso da massa específica, ou seja, 
é o volume por unidade de massa de determinada substância. Assim como a massa 
específica, o volume específico é uma propriedade intensiva e pode variar ponto a 
ponto. A sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades é m³/kg 
(metros cúbicos / quilograma), e nas unidades inglesas é ft³/lb (pés cúbicos / libras). 
 
3.2.2. Temperatura 
 A temperatura é uma propriedade intensiva difícil de ser conceituada, pois se 
origina de percepções sensoriais que temos de corpos “quentes” e “frios”, assim 
gerando comparações e através de análises compreendendo que mudanças de 
temperatura resultam na modificação de outras propriedades. 
 Pode-se alterar a temperatura de uma substância fornecendo calora ela, a 
deixando interagir com outra substância ou até mesmo o ambiente, desde que 
sempre exista uma diferença de temperaturas, pois assim ocorrem trocas de calor 
para que se chegue ao equilíbrio térmico. Esta troca de calor sempre ocorre na 
mesma direção, do corpo mais quente para o mais frio, como enunciado na segunda 
lei da termodinâmica. 
 As escalas utilizadas para medição de temperatura são: Celsius (ºC), 
Fahrenheit (ºF), Kelvin (K) e Rankine (ºR). Para relações termodinâmicas é 
7 
 
necessário que sejam adotadas apenas escalas absolutas de temperatura, portanto, 
nos cálculos só devem ser usadas as escalas Kelvin e Rankine que partem do 0 
absoluto. Abaixo estão algumas equivalências destas unidades: 
 T(ºR) = 1,8 x T(K); 
 T(ºC) = T(K) – 273,15 
 T(ºF) = 1,8 x T(ºC) + 32 
 
3.2.3. Pressão 
 A pressão é uma grandeza dada pela razão entre uma força aplicada 
perpendicularmente a área de uma superfície. Ou seja, se considerarmos que uma 
força de 20 Newtons está sendo aplicada em uma superfície plana de área igual a 2 
m², temos que cada metro quadrado desta superfície está sendo comprimido por 
uma força de 10 Newtons. Neste caso, utilizando as unidades do Sistema 
Internacional de medidas, o valor da pressão é dado em Pascal (N/m²). Abaixo estão 
algumas equivalências de unidades de pressão: 
 1 kPa = 103 N/m² 
 1 MPa = 106 N/m² 
 1 bar = 105 N/m² 
 Existem vários tipos de dispositivos capazes de realizar medições de pressão 
em um fluido, gás ou líquido. Um dos modelos mais comuns é o manômetro de 
Bourdon, que através de um mecanismo ligado à um ponteiro, indica a pressão 
relativa às vizinhanças do instrumento, portanto, quando as pressões internas e 
externas em um tubo são iguais, o mostrador indica valor zero. 
Figura 5: mecanismo do manômetro de Bourdon. 
 
Fonte: MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª 
edição. LTC. 2002. 
8 
 
3.2.4. Entalpia 
A entalpia é definida pela soma da energia interna com o produto da pressão 
pelo volume. 
A energia interna de um sistema é a soma das energias cinética e potencial 
das partículas que constituem um fluido. Esta energia é uma característica do estado 
termodinâmico e deve ser considerada como mais uma variável que pode ser 
expressa em termos de pressão, volume, temperatura e número de mols. 
A entalpia é normalmente representada pela letra H ou h (entalpia específica), 
e a unidade me medida utilizada é o Joule. 
3.3. Mudança de estado líquido-gasoso 
 Vapor de água é a denominação dada à água quando está em seu estado 
gasoso. Na figura 6, é possível visualizar um processo de mudança de estado a 
pressão constante, onde um líquido, inicialmente em estado líquido, é aquecido 
passando por algumas etapas até chegar ao estado de vapor superaquecido. 
Figura 6: Exemplo de mudança de fase a pressão constante. 
 
Fonte: http://paginapessoal.utfpr.edu.br/eduardomg/termodinamica-i/materia/ - Tópico 3 – Avaliando 
Propriedades. 
 No estado 1, o fluido é denominado como líquido comprimido, pois o mesmo 
está com pressão maior que de saturação naquela temperatura. Com o aquecimento 
a pressão constante, o líquido tem sofre um aumento na temperatura e alcança o 
estado de líquido saturado. 
 Quando o sistema se encontra no estado 2 (líquido saturado), uma 
transferência de calor adicional à pressão constante resulta na formação de vapor 
sem nenhuma mudança de temperatura, mas com considerável aumento de volume 
9 
 
específico. A partir deste estado, a composição do sistema passa a ser uma mistura 
bifásica líquido-vapor, que podem ser distinguidas entre si através de uma 
propriedade denominada título. 
 
 (Eq 1) 
 
 O título resulta em valores que variam de 0 (para líquido saturado) até 1 (para 
vapor saturado), sendo definido pela razão da massa de vapor pela massa total da 
mistura, conforme mostrado na equação 1 abaixo. 
 Quando o sistema está no estado de vapor saturado, e o aquecimento 
continua a pressão constante, a temperatura e o volume específico do vapor 
continuam a aumentar. 
 O último estado representa o que é chamado normalmente de vapor 
superaquecido, resultado da continuação do aquecimento do vapor saturado ainda 
com pressão constante, levando o sistema a uma temperatura superior à 
temperatura de saturação correspondente a pressão. 
 Todo esse processo pode ser estudado através de projeções da superfície p -
v-T, conforme abaixo. 
Figura 7: Esboço de um diagrama temperatura – volume específico para água simulando o processo 
da figura 6. 
 
Fonte: MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª 
edição. LTC. 2002. 
 O ponto 1 no diagrama corresponde ao primeiro estado representado na 
figura 5, e o processo segue em cima da linha de pressão constante de 1,014 bar. 
Os pontos denominados como “f” e “g” correspondem respectivamente aos estados 
10 
 
de líquido saturado e vapor saturado, sendo que entre eles está a região bifásica 
onde ocorre a mudança de estado a temperatura e pressão constantes. 
 O ponto “s” é o último estado, o de vapor superaquecido, onde ocorrem 
significativos aumentos de temperatura e volume específico. 
 
3.4. Balanço de energia para sistemas fechados 
 Conforme a primeira lei da termodinâmica, afirmada com base em 
experimentos feitos por Joule, a energia é sempre conservada, e através de 
estudados chegou-se à conclusão de que só é possível variar a energia de um 
sistema fechado adicionando trabalho ou calor. 
 Trabalho (W): é conceituado na termodinâmica quando o único efeito sobre 
o externo ao sistema puder ser realizado um levantamento de um peso. 
 Calor: é uma forma de energia que surge sempre que exista uma diferença 
de temperatura entre partes de um sistema, pode ser transferido e tem o 
sentido sempre do corpo mais quente para o mais frio. 
 Por meio dos aspectos descritos sobre energia, obtemos a relação de que a 
variação da quantidade de energia contida em um sistema é igual à quantidade de 
energia líquida associada ao calor transferido para dentro do sistema, menos a 
quantidade líquida de energia associada ao trabalho transferida para fora do 
sistema. Sendo assim essa relação pode ser expressa pela equação abaixo: 
 
E2 – E1 = Q – W Eq. 2 
 
 A variação de energia total de um sistema depende de três fatores: a variação 
de energia cinética associada ao movimento do sistema, a variação de energia 
potencial do sistema em relação a sua posição no campo gravitacional e a variação 
de energia interna que já engloba outras energias importantes. Portanto, temos que 
a variação total de energia de um sistema é representada pela seguinte equação: 
 
E2 – E1 = (U2 – U1) + (EC2 – EC1) + (EP2 – EP1) Eq. 3 
 Energia cinética: é a energia associada à velocidade em que um corpo se 
move, e pode ser expressa por EC = (m.v²)/2, onde m é a massa do corpo e 
v é a velocidade em que ele se move. 
11 
 
 Energia potencial gravitacional: energia associada à variação da força 
gravitacional com a elevação de um sistema, que é dada pela relação EP = 
m.g.z, onde g é a aceleração gravitacional, m é a massa e z a altura em 
relação a um referencial. 
 Energia interna: podem ser encontrados valores em tabelas termodinâmicas, 
de acordo com o estado, pressão e temperatura em que o sistema se 
encontra. 
 Substituindo a equação 3 na equação 1, observa-se que uma transferência de 
energia pela fronteira do sistema, resulta na variação das energias, cinética, 
potencial ou interna do sistema. Portanto o balanço geral de energia de um sistema 
fechado pode ser dado por: 
(U2 – U1) + (EC2 – EC1) + (EP2 – EP1) = Q – W Eq. 4 
 
 Os sinais algébricos relativos ao trabalho (W) e ao calor (Q) devem ser 
considerados na equação. Como convenção,serão utilizados valores positivos 
quando o calor entra na fronteira, e o trabalho positivo quando sai da fronteira do 
sistema. 
 
3.5. Válvulas 
 Válvulas são dispositivos destinados a estabelecer, controlar e interromper a 
descarga de fluidos. Existe uma grande variedade de tipos de válvulas, cuja escolha 
depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também das 
propriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura 
a que se achará submetido, e da forma de acionamento pretendida. A seguir estarão 
alguns dos tipos de válvulas mais utilizadas. 
 Válvula de bloqueio: destinam-se apenas a permitir ou interromper o fluxo, 
trabalhando totalmente abertas ou completamente fechadas, não servindo 
para controlar vazões. 
 Válvula de regulagem: destinam-se ao controle de fluxo, trabalhando, pois, 
em qualquer posição de abertura interna e eventualmente em posição de 
bloqueio total. 
 Válvulas de controle de pressão: tem a função de controlar e aliviar a pressão 
para segurança do sistema. 
12 
 
4. Construção 
 Antes de iniciar a construção do protótipo é necessário estudar as normas de 
construção, dimensões, aplicação, entre outros itens importantes que serão 
avaliados. Nos itens abaixo serão descritos os procedimentos de construção dos 
itens mais importantes do carrinho. 
 
4.1. Caldeira 
 A caldeira foi construída utilizando um tubo de aço com espessura de 1 mm, 
diâmetro interno de 75 mm e comprimento de 150 mm. Foram cortadas duas tampas 
no mesmo diâmetro para serem soldadas nas extremidades do tubo pelo processo 
de soldagem MIG, assim resultando em um cilindro fechado. No topo do cilindro 
foram feitos três furos para passagem das válvulas e do conector do manômetro. 
 O furo para válvula de alívio foi feito com diâmetro de 20 mm, o furo para 
conector do manômetro com 15 mm, e por último o furo de 20 mm para um conector 
com tampa de rosca, que serve como entrada para água. 
 Em uma das tampas da extremidade do cilindro foi feito um furo de 15 mm de 
diâmetro, para ser colocada a válvula de esfera mini com passagem reduzida que irá 
manter a pressão dentro do cilindro e depois abrir o fluxo para que o vapor saia. 
Todos as válvulas e conectores foram colocadas nos respectivos furos e soldadas, 
conforme pode ser visto na figura 8. 
Figura 8: cilindro com válvulas e conectores soldados. 
 
Fonte: elaborada pelo autor. 
 O manômetro utilizado foi do tipo Bourdon, horizontal e com capacidade de 0 
a 10 bar, que fixado em uma luva de aço ¼” x ¼” no topo do cilindro para que o fogo 
não danificasse o instrumento. 
13 
 
 A válvula de alívio serve para controlar a pressão dentro do cilindro, liberando 
um escape para o vapor em excesso, neste caso sempre que for maior que os 2,5 
bares especificados. Esta válvula também foi fixada em uma luva de 1/4” que foi 
soldado ao cilindro. 
 Todas as roscas de luvas e válvulas foram vedadas cuidadosamente para que 
não existam vazamentos que possam prejudicar o sistema. 
 
4.2. Eixos e rodas 
 As rodas foram usinadas em tecnil, com diâmetro externo de 50 mm e interno 
de 40mm, onde foram acoplados e ajustados com interferência, rolamentos de 
esfera com diâmetro externo de 40 mm e interno de 12 mm. 
 Os eixos também foram usinados para garantir que todos os componentes 
ficassem centralizados. O eixo dianteiro tem diâmetro de 20 mm e comprimento de 
182 mm, enquanto o traseiro tem o mesmo diâmetro, porém tem 140 mm de 
comprimento. Ambos foram feitos em alumínio, e em suas extremidades possuem 
um rebaixo para encaixe dos rolamentos. Eles foram fixados na estrutura do carrinho 
através de solda MIG. 
Figura 9: Eixos e rodas já montados na estrutura. 
 
Fonte: elaborada pelo autor. 
 
4.3. Estrutura 
 Na estrutura do carrinho foram utilizadas apenas algumas tiras de chapas de 
aço, de modo a tentar reduzir o peso para exigir menos força para vencer a inércia. 
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 Como pode ser visto na figura 10, foi colocada um chapa de 30 mm por 220 
mm no sentido do comprimento do carrinho, no centro, que serve de suporte para o 
cilindro. Nas extremidades foram soldadas duas chapas perpendiculares de 
dimensões 30 mm x 120 mm (frente) e 30 mm x 150 mm (traseira) para abrigar os 
eixos que serão utilizados para acoplar as rodas. 
Figura 10: Estrutura já montada com cilindro. 
 
Fonte: elaborada pelo autor. 
 Com a etapa de montagem finalizada, o carrinho foi pesado em uma balança 
e obteve-se a massa de 1,530 Kg. 
 Aproximadamente foram gastas 25 horas para projetar e construir este 
protótipo, devido a confecção das peças, soldas e testes. 
 
4.4. Combustível 
 Conforme estipulado, o combustível utilizado para adicionar calor à caldeira 
deve ser álcool em gel. Para alojar o combustível foi construído uma pequena 
bandeja retangular em aço de 45 mm por 115 mm, com altura de 20 mm. Foi 
deixado um vão entre a estrutura e a bandeja para que exista mais contato do 
oxigênio do ar com o álcool, assim evitando que ocorra uma combustão incompleta, 
que produz menor quantidade de energia além de desperdiçar combustível. 
 
15 
 
5. Materiais e custos 
Os custos são parte importante a serem considerados no projeto, porém, 
deve ser balanceado juntamente com a qualidade. Na tabela a seguir são 
apresentados todos os materiais utilizados e os gastos gerados para o 
desenvolvimento do trabalho. 
Tabela 1: Materiais e custos do projeto. 
Material Quantidade Descrição Preço unitário 
Preço 
total 
Tubo de aço 1 Ø76 mm x 150 mm (Esp. 1 mm) R$ 5,00 R$ 5,00 
Retalho chapa de aço 1 90 mm x 300 mm R$ 4,00 R$ 4,00 
Rolamento 4 Ø Ext. 40 mm e Int. 12 mm R$ 7,50 R$ 30,00 
Eixos usinados 2 Eixos de alumínio R$ 60,00 R$ 120,00 
Rodas 4 Rodas tecnil Ø 50 mm R$ 15,00 R$ 60,00 
Válvula Esfera MINI 1 Válvula Esfera 3/8" R$ 23,00 R$ 23,00 
Válvula de Segurança 
ou Alívio 1 2,5 bar R$ 12,00 R$ 12,00 
Manômetro horizontal 1 Rosca 1/4" R$ 21,00 R$ 21,00 
Luva 2 Luva de aço 1/4" x 1/4" R$ 4,65 R$ 9,30 
Luva 2 Luva de aço 1/4" x 1/8" R$ 3,80 R$ 7,60 
Veda Rosca 1 18 mm x 10 m R$ 2,90 R$ 2,90 
Retalho chapa de aço 1 Chapas estrutura R$ 15,00 R$ 15,00 
 
TOTAL R$ 309,80 
Fonte: elaborada pelo autor. 
 Mesmo buscando materiais de qualidade com preços mais baixos, os custos 
acabaram ficando elevados. Em parte, este custo alto é devido à mão de obra de 
usinagem que normalmente é cara, porém necessária para que o alinhamento e 
fixação dos componentes fiquem feitos. 
 
16 
 
6. Cálculos e resultados 
 Após o termino da construção, foi dado início aos testes. Inicialmente foram 
colocadas 50 ml de água dentro do reservatório quem tem 662 cm³ de volume. No 
reservatório de combustível foi adicionado álcool gel 80º INPM para ceder calor à 
caldeira. Passado um certo tempo, acompanhando no manômetro, a pressão de 2,5 
bar foi atingida e então a válvula de esfera com diâmetro de saída de 8 mm foi 
liberada, porém o carrinho não se moveu. 
 Analisando possíveis soluções, chegou-se à conclusão de que diminuir o 
diâmetro de saída iria fazer com que o vapor demorasse mais tempo para sair 
completamente do reservatório. Foi acoplado na saída da válvula um conector, e 
assim o diâmetro de saída passou a ser de 5 mm. 
 Após a alteração, outro teste foi feito e o carrinho percorreu uma distância de 
um metro em dois segundos. Através destes dados é possível calcular a energia 
cinética: 
EC = (m * v²) / 2 
EC = (1,530 kg * 0,5² m/s) / 2 
EC = 0,19 J/s 
 Das 50 ml que foram colocadas no reservatório, restaram apenas 30 ml após 
a liberação do vapor. Sendo assim, podemos supor que a diferença de volume de 
água é aproximadamente a quantidade que foi transformada em vapor, e 
estabelecer uma relação de título: 
50 ml – 100% 
20 ml – x 
X = 40% 
 Conhecendo o título e obtendo os valoresde entalpia nas tabelas 
termodinâmicas, podemos encontrar a entalpia específica (hf=535,37 kJ/kg e 
hg=2.716,9 kJ/kg) da mistura bifásica formada quando a caldeira atinge o estado 2 
com a pressão de 2,5 bar. Trabalhado a fórmula do título, temos: 
 h2 = hf + x*(hg – hf) 
 h2 = 535,37 + 0,4*(2716,9 – 535,37) kJ/kg 
 h2 = 1.407,98 kJ/kg 
 Ainda utilizando o título, é possível determinar o volume específico do estado 
2, conforme abaixo: 
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v2 = vf + x*(vg – vf) 
v2 = (1,0672*10^-3) + 0,4*[0,7187 – (1,0672*10^-3)] m³/kg 
v2 = 0,288 m³/kg 
 
 A massa do estado 2 pode ser definido obtendo a divisão do volume do 
reservatório pelo volume específico: 
M = Vreservatório / v2 
M = (6,62*10^-4) m³ / 0,288 m³/kg 
M = 0,0023 kg 
 Novamente, utilizando o título, pode-se calcular a massa teórica de vapor no 
estado 2, já que ela representa 40% da massa total do estado. 
Mvapor = 0,0023 kg * 0,4 
Mvapor = 9,2*10^-4 kg 
O estado inicial é definido por água no estado líquido à pressão e temperatura 
ambiente (1 atm. e 298 K), no qual a entalpia específica é definida universalmente 
como sendo nula. A massa do estado 1 é a quantidade de água colocada no 
reservatório, convertendo: 
50 ml = 5*10^-5 m³ 
M = densidade*volume 
M = 1000 kg/m³ * (5*10^-5) m³ 
M = 0,05 kg 
 Analisando o balanço de energia para um volume de controle que englobe 
apenas a caldeira, temos que o calor que entra no sistema é igual a massa 
multiplicada pela entalpia de saída menos a da entrada, já que não há realização de 
trabalho e nem energia cinética ou potencial. Deste modo substituindo os valores 
encontrados temos o calor adicionado ao fluido: 
Qe = M*(h2 – h1) 
Qe = 9,2*10^-4 kg * (1.407,98 - 0) kJ/kg 
Qe = 1,295 kJ 
Qe = 1.295 J 
 A eficiência de um sistema é medida através do quociente da energia 
adquirida, pelo total de energia que foi necessária para obter a transformação. Neste 
caso, a eficiência do carrinho é determinada fazendo a divisão da energia cinética 
obtida pelo calor gasto para levar a água na caldeira do estado 1 ao estado 2. 
18 
 
η = EC / Qe 
η = 0,19 J / 1.295 J 
η = 0,015 % 
 A eficiência do sistema resultou em um valor muito baixo, isto porque, a 
distância que o carrinho percorreu fui muito curta, assim desenvolvendo pouca 
velocidade e por consequência pouca energia cinética. Os motivos pelos quais o 
carrinho não conseguiu percorrer a distância necessária podem ser diversos, como 
muito atrito nas rodinhas, estrutura pesada, e provavelmente alguns fatores ligados 
ao vapor, por exemplo a vazão que é muito alta (todo vapor é liberado em apenas 3 
segundos), e até mesmo pouca massa de vapor formado. 
 
7. Conclusão 
 Os estudos da transformação de energia térmica em outros tipos de energia 
são fundamentais na engenharia, e o desenvolvimento de um projeto que utiliza este 
mecanismo através do vapor faz com que o conhecimento de toda parte 
termodinâmica envolvida nesse processo tenha aplicação prática, facilitando o 
entendimento e auxiliando na procura de soluções e melhorias nos sistemas. 
 Após os resultados e a análise dos problemas, foram encontradas algumas 
soluções que podem melhorar o desempenho do carrinho, como a diminuição do 
diâmetro de saída do vapor, que segundo os conceitos, diminuiria a vazão, e assim 
seria possível que o carrinho fosse empurrado por mais tempo. Outra ideia é reduzir 
a espessura das rodas, que consequentemente irá diminuir o atrito, exigindo uma 
força menor para que o carrinho possa vencer a inércia. 
 Por fim, a construção do projeto agregou vários conhecimentos teóricos e 
práticos a todos os integrantes do grupo, o que contribui no desenvolvimento e 
formação dos alunos. 
 
8. Referências bibliográficas 
 Barreto, Marcio. Física: Newton Para O Ensino Médio. Campinas, SP. Papirus 
Editora, 2002. 
 http://www.infoescola.com/termodinamica/motor-a-vapor/ 
19 
 
 Automóveis On Line Editora. Guia A História – Carros. Ed 03. On Line Editora, 
2016. 
 http://www.rwengenharia.eng.br/o-que-e-uma-caldeira/ 
 http://paginapessoal.utfpr.edu.br/eduardomg/termodinamica-i/materia/ - 
Tópico 3 – Avaliando Propriedades. 
 MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para 
engenharia. 7ª edição. LTC. 2002. 
 http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Valvula0.htm