FACULDADE ESTÁCIO DE SÁ (2)

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FACULDADE ESTÁCIO DE SÁ 
 
 
 
 
 
 
 
 
ATIVIDADE ESTRUTURADA DE TERMODINAMICA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aluno: Gilson João Ferreira do Nascimento - Matrícula: 201201580111 
Professora: Nélia Lima 
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SUMÁRIO 
 
1. Introdução ................................................................................................... 3 
2. Ciclos de Potência a Vapor ......................................................................... 4 
2.1. Ciclo de Rankine ....................................................................................... 4 
2.2. Equações do Ciclo Rankine ....................................................................... 5 
2.3. Variações do ciclo Rankine ....................................................................... 6 
2.4. Aplicações do ciclo Rankine ..................................................................... 7 
3. Ciclos de Potência a Gás ............................................................................ 8 
4. Ciclo de Ar Padrão Otto ............................................................................. 8 
4.1. Equações para o Ciclo Otto Ideal .............................................................. 10 
4.2. Aplicações do Ciclo Otto .......................................................................... 10 
5. Ciclo de Ar Padrão Diesel .......................................................................... 11 
5.1. Aplicações do Ciclo Diesel ....................................................................... 12 
6. Ciclo de Ar Padrão Dual ............................................................................. 13 
7. Ciclo de Ar Padrão Brayton........................................................................ 15 
7.1. Características do Ciclo Brayton ............................................................... 17 
7.2. Equações do Ciclo Brayton ....................................................................... 17 
7.3. Aplicação do Ciclo Brayton ...................................................................... 18 
8. Conclusão ................................................................................................... 19 
9. Referências Bibliográficas .......................................................................... 21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Introdução. 
 
Esta atividade abordará um estudo dos Principais Ciclos de Potência a Gás e a Vapor com 
definições e aplicações em engrenharia. 
Portanto os sistemas utilizados para produzir potência são usualmente chamados de 
motores ou máquinas, e os ciclos termodinâmicos nos quais eles operam são chamados de ciclo 
de potência. 
 Os ciclos termodinâmicos podem ser categorizados como ciclos a gás e ciclos a vapor, 
dependendo da fase do fluido de trabalho. Nos ciclos a gás, o fluido de trabalho permanece na 
fase gasosa em todo o ciclo, enquanto nos ciclos a vapor, o fluido de trabalho existe na fase 
vapor durante uma parte do ciclo e na fase líquida durante a outra parte. Os ciclos 
termodinâmicos podem ser classificados ainda de outra forma: ciclos fechados e abertos. Nos 
ciclos fechados, o fluido de trabalho volta ao estado inicial no final do ciclo e circula novamente 
nos ciclos abertos, o fluido de trabalho é renovado ao final de cada ciclo. 
 
 
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Ciclo de Potência a Vapor. 
 
No ciclo de potência a vapor, o fluido de trabalho é alternadamente vaporizado e 
condensado. Sendo o vapor de água o fluido de trabalho mais utilizado devido às suas 
características desejáveis, como custo baixo, disponibilidade e alta entalpia de formação. 
O Ciclo de potência a vapor possui vasta aplicação nas Indústrias, desde a geração de 
vapor para mover uma turbina gerando energia elétrica a um país, quanto ao vapor utilizado 
para aquecer a água que vai cozinhar o malte gerando o mosto para uma indústria de cerveja. 
Ciclo de RANKINE 
“RANKINE também é conhecido como o Ciclo Ideal para um Ciclo de Potência a Vapor 
por não envolver nenhuma irreversibilidade interna” (ÇENGEL; MORAN & SHAPIRO 2013, 
p. 344). 
O Ciclo Rankine é similar ao Ciclo de Carnot, pois onde se observa a eficiência de uma 
turbina, o diagrama TS inicia assemelhar com o ciclo de Carnot. A diferença principal está na 
adição (de uma caldeira) e a da ausência de um condensador no processos isobáricos no ciclo 
Rankine e os processos isotérmicos na teoria do Ciclo Carnot. 
“Ainda em comparação com o Ciclo de Carnot o Rankine possui uma eficiência térmica 
menor” (SHAPIRO 2013, p. 349). 
 
Figura 1. Esquema Funcionamento Ciclo RANKINE 
 
Normalmente, líquido saturado sai do condensador (ponto 1), sendo pressurizado pela 
bomba (ponto 2), entrando na caldeira onde é transferido calor para este (ponto 3), normalmente 
a pressão constante. Em seguida, é expandido na turbina, sendo aqui obtido trabalho mecânico. 
5 
 
Por último, o fluido passa pelo condensador (ponto 4), onde volta ao estado de líquido saturado 
entretanto neste sistema existem perdas, sendo obtido menos trabalho do que idealmente se 
quer. 
Iremos observar um diagrama T-S contendo cada etapa do Ciclo RANKINE analisando 
o comportamento temperatura x entropia desse ciclo. 
 
 
Figura 2. Diagrama T-s (Temperatura x Entropia) 
 
1-2: Compressão isentrópica numa bomba 
2-3: Adição de calor a pressão constante numa caldeira 
3-4: Expansão isentrópica numa turbina gerando trabalho. 
4-1: Rejeição de calor a pressão constante num condensador. 
 
Ainda neste diagrama T-s (temperatura vs. entropia) representativo do ciclo RANKINE, 
Observa-se que a curva de vapor saturado possuí inclinação negativa, características de fluidos 
úmidos. Por esta razão, o fluido na saída da turbina é constituído de uma mistura de vapor e 
água saturada. 
Equações Ciclo RANKINE 
Cada uma das equações a seguir podem ser obtidas facilmente a partir do balanço 
de massa e energia do volume de controle. A quinta equação define a eficiência 
termodinâmica do ciclo como sendo a razão entre o trabalho líquido do sistema e o calor 
fornecido ao sistema. 
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Variáveis 
 
Variações do Ciclo Rankine 
Ciclo Rankine com Reaquecimento - Opera utilizando duas turbinas ligadas em série. 
A primeira turbina recebe o vapor da caldeira em alta pressão, liberando de tal forma que evite 
sua condensação. Este vapor é então reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira, e é 
utilizado para acionar uma segunda turbina de baixa pressão. Entre outras vantagens, isto 
impede a condensação do vapor no interior das turbinas durante sua expansão, o que poderia 
danificar seriamente as pás da turbina. 
 
 
 
Figura 3. Ciclo Rankine de Reaquecimento 
7 
 
Ciclo Rankine Regenerativo - O ciclo Rankine regenerativo é nomeado desta forma 
devido ao fato do fluido ser aquecido após sair do condensador, aproveitando parte do calor 
contido no fluido liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do 
fluido em circulação, o que aumenta a eficiência. termodinâmica do ciclo. 
 
Figura 4. Ciclo Rankine de Regeneração 
 
Aplicações do Ciclo de Rankine 
Este ciclo termodinâmico tem sua maior aplicação em usinas geradoras de energia elétrica 
aos quais se destacam, Usinas de Vapor, Usina Nucleares, Usina de Energia Solar e usinas 
geotérmicas. 
Abaixo ilustração de uma Usina de Vaporização. 
 
Figura 5. Ilustração de uma Usina de Vapor para geração de Energia Elétrica. 
 
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Ciclo de Potência a Gás 
 
Esta parte da Atividade estruturada estuda alguns ciclos de potências mais usados, 
esses são bem diferentesdo Ciclo de Vapor, pois seu princípio de funcionamento é 
diferente e acontece dentro de arranjos cilindros-pistão com movimentos alternativo e não 
em série de componentes interligados. Estes usualmente denominados de motores de 
combustão internas possuem aplicações em automóveis, caminhões e ônibus. 
 
Ciclo OTTO 
O Ciclo de ar Padrão OTTO é um Ciclo Ideal criado em 1876, pelo Engenheiro 
Alemão Nikolaus August Otto (1832-1891), considera que a adição de calor ocorre 
instantaneamente enquanto o pistão se encontra no ponto morto superior, motores de 
automóveis movidos a gasolina, álcool ou gás natural operam com base no ciclo de Otto. 
Esse tipo de motor também é chamado de motor de quatro tempos uma vez que ocorre 
num ciclo de 4 Tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão. 
 
 
Figura 6. Ilustração das fases do motor 4 tempos Ciclo Otto 
 
1º - Admissão: nessa primeira fase, a válvula de admissão (entrada) está aberta e a 
válvula de escape (saída) permanece fechada. O pistão se move de forma a aumentar o 
volume da câmara de combustão, e a mistura de combustível com o ar entra no cilindro 
9 
 
sob pressão praticamente constante. Assim, diz-se que na fase de admissão ocorreu 
uma transformação isobárica, ou seja, transformação sob pressão constante. 
2º - Compressão: agora as válvulas de admissão e de escape estão fechadas e o pistão 
realiza um movimento rápido, comprimindo a mistura combustível. Com isso, ocorre um 
aumento de pressão e uma diminuição do volume da mistura, simultaneamente. No fim dessa 
etapa a pressão do sistema é cerca de 9 vezes a pressão atmosférica. 
3º - Expansão: nessa terceira etapa, as válvulas de admissão e escape continuam fechadas, 
o pistão sobe e a vela (um dispositivo do motor) solta uma faísca, que provoca uma explosão 
da mistura combustível. Por meio dessa queima, uma grande quantidade de energia térmica é 
obtida e parte dessa energia será convertida em trabalho mecânico. Com o fornecimento de 
calor, a pressão do sistema aumenta e o pistão é forçado violentamente para baixo, de modo a 
aumentar o volume do cilindro. 
4º - Exaustão: por fim, no momento em que o pistão chega à posição de maior volume do 
cilindro, a válvula de escape se abre e a de admissão continua fechada. Isso faz com que o gás 
quente seja expulso da câmara de combustão, resfriando o sistema. Depois de ocorrer o 
resfriamento, o pistão se movimenta no sentido de diminuir o volume da câmara de combustão, 
conduzindo os resíduos da explosão para fora, que serão liberados pelo escapamento. 
Assim que os gases são expulsos, o motor retorna à sua condição inicial, de forma que o 
ciclo se reinicie. 
Abaixo análise do diagrama P-v e T-s de um motor Ciclo Otto 4 tempos. 
 
Figura 7. Diagrama P-v e T-s Ciclo Otto motor 4 tempos 
 
10 
 
No diagrama T-s acima podemos concluir que a eficiência térmica aumenta de acordo 
com o aumento da taxa de compressão mudando o ciclo 1-2-3-4-1 para o ciclo 1-2’-3’-4-1 uma 
vez que a temperatura média de fornecimento é maior no último ciclo” (SHAPIRO 2013, p. 
394). 
Equações para o Ciclo Otto Ideal. 
 
 
Figura 8. Equações do Ciclo Otto 
 
Aplicação do Ciclo Otto 
 
 
Figura 8.a. Aplicação do motor Ciclo Otto em automóveis. 
 
 
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Ciclo Diesel 
 
Criado por Rudolf Diesel nasceu em Paris em 1885, este ciclo é bastante semelhante ao 
Ciclo Otto e também possui 4 tempos e não necessita de centelha para combustão, que vai 
acontecer devido ao calor ser transferido ao fluido de trabalho a uma pressão constante gerando 
a combustão, este ciclo normalmente tem rendimento térmico melhor que o Otto e por isso 
usado para aplicações mais pesadas. 
 
Figura 9. Fases do motor 4 tempo Ciclo Diesel 
 
 1 Compressão isentrópica 
 2 Fornecimento de calor a pressão constante (isobárico) 
 3 Expansão isentrópica 
 4 Cedência de calor a volume constante 
Na maioria das aplicações os motores Diesel funcionam como um motor quatro tempos. 
O ciclo inicia-se com o êmbolo no ponto morto superior (PMS). A válvula de admissão está 
aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro. 
O êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI), a válvula de admissão fecha, e inicia-se 
então a compressão. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente devido 
à diminuição do volume. 
Pouco antes do PMS o combustível começa a ser pulverizado pelo ejetor em finas 
gotículas, misturando-se com o ar quente até que se dá a combustão. A combustão é controlada 
pela taxa de injeção de combustível, ou seja, pela quantidade de combustível que é injetado. O 
combustível começa a ser injetado um pouco antes do PMS devido ao facto de atingir a 
quantidade suficiente para uma perfeita mistura (ar + combustível) e consequentemente uma 
boa combustão. 
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A expansão começa após o PMS do êmbolo com a mistura (ar + combustível) na 
proporção certa para a combustão espontânea, onde o combustível continua a ser pulverizado 
até momentos antes do PMI. 
O ciclo termina com a fase de escape, onde o embolo retorna ao PMS, o que faz 
com que os gases de combustão sejam expulsos do cilindro, retomando assim o ciclo. 
No caso dos motores a dois tempos, o ciclo é completado a cada volta, a admissão 
não é feita por válvulas mas sim por janelas. 
 
Abaixo análise do diagrama P-v e T-s de um motor Ciclo Diesel 4 tempos. 
 
Figura 10. Diagrama P-v e T-s Ciclo Otto motor 4 tempos 
No Ciclo Diesel a adição de calor ocorre a uma pressão constante consequentemente 
o processo 2-3 envolve tanto trabalho quanto calor 
 
Aplicação Motor Ciclo Diesel 
 
Figura 10.a Motor Ciclo Diesel 4 Tempos aplicação em caminhões 
 
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Ciclo Dual 
No ciclo Otto o processo de combustão ocorre a volume constante, enquanto que o ciclo 
diesel representa a combustão ocorrendo à pressão constante. No entanto, na prática estes dois 
ciclos não representam o ciclo de funcionamento real do motor. 
No ciclo Otto a combustão a volume constante pressupõe uma combustão instantânea. 
O ciclo Misto, Dual, é um compromisso entre ambos os ciclos e o que melhor descreve a 
operação dos motores diesel de alta rotação. Neste ciclo a combustão ocorre em duas fases, com 
parte do calor sendo fornecida a volume constante e o restante sendo fornecido à pressão 
constante. 
 
Figura 11. Diagrama P-v e T-s Ciclo Dual motor 4 tempos 
 
1 - 2 – Compressão Isentrópica: compressão de volume v1 5 para v2. A pressão sobe de 
p1 para p2, consumindo um trabalho w1 2 sem que haja rejeição e calor. A temperatura sobe 
de T1 para T2. No motor real corresponde à compressão da mistura ar-gás, até uma temperatura 
superior à de auto–ignição do diesel. 
2 - 3 – Adição de calor Isocórica: ocorre no volume v2 3. A pressão sobe de p2 para p3 e 
a temperatura de T2 para T3. É fornecido calor QA1. Corresponde ao período de injeção de 
diesel e subsequente ignição e combustão da mistura ar – gás natural – diesel. 
3 - 4 – Adição de calor Isobárica: ocorre na pressão p3 4. Há uma expansão de v3 para 
v4 em conjunto com o fornecimento de calor QA2, que deve ser suficiente para manter a pressão 
constante. A temperatura sobe de T3 para T4. Neste ponto todo o diesel do jato piloto já foi 
consumido e o processo segue como no motor de ignição por centelha, com a combustão da 
mistura ar-gás. 
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4 - 5 – Expansão Isentrópica: expansão de v4 3 a v5. Há uma queda de pressão de 
p4 para p5 e de temperatura de T4 para T5. É realizando um trabalho w4 5 sem que haja 
fornecimento de calor. Corresponde à expansão dos gases de combustão 
5 - 1 – Rejeição de calor Isocórica: ocorre no volume v1 5. A pressão cai de p5 parap1 e a temperatura de T5 para T1. Um calor QR é rejeitado. Corresponde aos processos 
de descarga dos gases de combustão e admissão da mistura fresca. 
“Como o Ciclo de Ar Padrão Dual é semelhante ao Ciclo Otto e Diesel podemos 
escrever as equações para trabalho e transferência de calor com base nos 
desenvolvimentos anteriores” (SHAPIRO 2013, p. 400). 
 
 
 
 
 
15 
 
Ciclo de Gás Brayton 
O ciclo Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão 
constante, utilizado no estudo das turbinas a gás. 
Ele é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas 
a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é 
utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, 
devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito. 
O ciclo se constitui de quatro etapas assim como os Ciclos Otto, Diesel e o Dual. 
 
Figura 12. Diagrama comparativo do Ciclo Brayton Ideal x Real 
 
 
Figura 13. Diagrama P-v e T-s para um Ciclo Brayton ideal 
 
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1-2 - Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde 
ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente 
aumento de entalpia. 
2 - 3 - Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o 
combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. 
3 - 4 - Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se 
expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. 
4 - 1 - Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a 
pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída 
através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar 
outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo 
termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de 
calor do fluido para o ambiente. 
 
Figura 14. Esquema demonstrativo do Ciclo Brayton 
 
Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente 
da combustão é rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A 
rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos 
termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica. 
A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente 
do combustível, descontando-se a potência de acionamento do compressor e a potência 
líquida. Assim, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape e se 
eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência das partes da turbina a 
altas temperaturas um ponto extremamente crítico na tecnologia de construção destes 
equipamentos. 
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Características do Ciclo Brayton. 
 Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo, Considerado gás ideal. 
 Não há entrada e saída de ar o ar segue em um circuito fechado. 
 Combustão é substituída por aquecimento proveniente de fonte externa. 
 Exaustão do ar é substituída por um resfriamento rápido. 
 Todos os processos são internamente reversíveis. 
 Calor especif. Ar = cte. 
 
Equações do Ciclo de Ar Padrão Brayton 
Para análise “Ar Frio” e considerando ∆KE=∆PE=0 
 
Na compressão e na expansão: s=cte 
 
Eficiência térmica do Ciclo Brayton 
 
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 O ciclo Brayton opera entre 2 linhas de pressão constante (isobáricas), logo a 
razão das pressões é importante 
 A razão das pressões não é a taxa de compressão 
 Diferente de motores alternativos: 
– O Ar não permanece no mesmo lugar 
 O Ar circula 
– Ao se analisar cada componente => volume de controle 
Aplicações do Ciclo Brayton 
Turbinas a gás são usadas principalmente em aviões e na geração de energia 
elétrica, mas há também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor. 
Portanto, o trabalho produzido pode ser extraído em forma de acionamento 
mecânico ou fluxo de ar no caso de uma turbina aeronáutica. 
 
Figura 15. Esquema demonstrativo do Ciclo Brayton 
 
Figura 16. Esquema demonstrativo do Ciclo Brayton 
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Conclusão 
 
 
Ao final desta atividade estruturada de termodinâmica, pude compreender melhor as 
características, aplicações e particularidades de cada Ciclo. 
Possuo a formação Técnica em Mecânica Industrial e trabalho na área de manutenção 
convivo com algumas dessas aplicações diariamente e conheço um pouco de cada aplicação. 
 
No Ciclo Rankine o fluido de trabalho é alternadamente vaporizado e 
condensado através da combustão e realiza a troca de temperatura com a água 
através de tubos dentro das caldeiras. O vapor de água é o fluido de trabalho 
mais utilizado devido às suas características desejáveis, como custo baixo, 
disponibilidade e alta entalpia de formação (MICHAEL J MORAN & 
SHAPIRO, 2013, p. 339). 
Como o Ciclo Rankine é muito semelhante ao Ciclo de Carnot, (MICHAEL J MORAN 
& SHAPIRO, 2013), sendo este último mais eficiente termicamente, o Ciclo Rankine tem sua 
maior aplicação na geração ne energia elétrica em algumas industrias é possível ter um ciclo 
misto de geração de energia elétrica reaproveitando o vapor nos processos industriais. 
Nos motores de combustão interna, (Otto, Diesel e Dual), também conhecidos como 
Ciclos de Ar Padrão por terem o ar como fluido de trabalho ideal, (MICHAEL J MORAN & 
SHAPIRO, 2013), podemos perceber uma grande semelhança, tanto no princípio de 
funcionamento quanto na forma construtiva porém o que muda é a forma de como se dá o 
processo de adição de calor que substitui a combustão no ciclo real (MICHAEL J MORAN & 
SHAPIRO, 2013), o Ciclo de Ar Padrão Otto a combustão acontece através da mistura ideal ar, 
combustível e ignição, este último acontece através de centelhamento direto na mistura, no 
Ciclo de ar Padrão Diesel não há centelhamento dentro da câmara de combustão, a combustão 
acontece durante o processo a uma pressão constante aumentando a sua eficiência térmica 
(MICHAEL J MORAN & SHAPIRO, 2013), o Ciclo de Ar Padrão Dual é um Ciclo classificado 
em fase intermediária entre o Ciclo Otto e o Ciclo Diesel, a sua combustão ocorre em dois 
passos ver na Figura 11 desta atividade, observa-se que no processo 2-3 existe uma adição de 
calor a um volume constante e no processo 3-4 a segunda adição de calor do ciclo Dual acontece 
a uma pressão constante. 
No Ciclo Brayton umas das principais características é o fato deste ciclo não possuir 
perdas de cargas por atrito e o ar escoa a um pressão constante pelo trocador de calor 
(MICHAEL J MORAN & SHAPIRO, 2013), neste ciclo o compressor tem um papel importante 
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de aumentar a eficiência térmica deste ciclo, no geral sua aplicação vai desde a aviação, 
industrial naval até a geração de energia elétrica. 
No geral nós engenheiros temos uma missão que é de sempre buscar desenvolver 
soluções que aumentem o rendimento dessas máquinas térmicas gerando melhorias para 
o processo reduzindo os custos operacionais. 
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Referências Bibliográficas 
 
1. MICHAEL J MORAN & SHAPIRO - Princípios da Termodinâmica - 7ªed. – Completo, 
2013 
2. WIKIPEDIA – CICLO DE OTTO, 2016. [Internet] Disponível em: 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Otto Acesso em Dez/2017 
3. SILVEIRA, Fernando L. Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de Diesel. 
Disponível em: www.if.ufrgs.br/~lang/maqterm.pdf. Acesso em Dez/2017. 
4. UNICAMP – Máquinas Térmicas. [Internet] Disponível em 
www.fem.unicamp.br/~em672/Aulas%2019%20-20%20-%202003.pdf Acessoem 
Dez/2017. 
5. POLI USP – CICLO BRAYTON. [Internet], Disponível em 
www.lete.poli.usp.br/PME2321_files/cicloBrayton.PDF Acesso Dez/2017 
6. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL – Ciclo Brayton, [Internet], Disponível 
em www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas.../03-turbina_a_gas.pdf Acesso em Dez/2017