Ciclos termodinamicos

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Ciclo Otto.
O seu desenvolvimento teve avanços e retrocessos, derivações impraticáveis e aplicações que perduraram por mais de um século. Desde as primeiras locomotivas a vapor de meados do século XVII, foi, por exemplo, necessário esperar até 1860 para que o francês Étienne Lenoir, com a invenção do motor de combustão interna, então à base de gás de iluminação, fabricasse o primeiro veículo automóvel digno desse nome. E que dizer de Nikolaus August Otto que, em 1876, patenteou o princípio dos motores de explosão há quatro tempos, reconhecido e aplicado até os dias de hoje.
O ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o funcionamento de um típico motor de pistão de ignição com faísca. É o ciclo termodinâmico mais comum em motores de automóveis.
O ciclo de Otto é uma descrição do que acontece com uma massa de gás submetida a trocas de calor e variações de pressão, temperatura e volume. A massa de gás sujeita a essas mudanças é chamado de sistema, logo o sistema, neste caso, é definido como o fluido (gás) dentro do cilindro. Ao descrever as mudanças que ocorrem dentro do sistema, também descreverá em inverso, o efeito do sistema sobre o meio ambiente. No caso do ciclo Otto, o efeito será produzir o trabalho líquido suficiente para impulsionar um automóvel e seus ocupantes.
Com o tempo, o motor de ciclo Otto provou ser um dos motores térmicos com maior rendimento energético, aproveitando a energia da queima do combustível nos cilindros para gerar movimento que resulta em trabalho mecânico.
Ao contrário do que acontece, por exemplo, na mecânica Diesel, nos motores Otto a mistura ar-combustível, mesmo comprimida até ao ponto ideal (a taxa de compressão varia conforme o tipo de combustível), necessita de uma faísca (criada pelas velas) para dar início ao processo da queima. Este tipo de mecânica pode operar em dois ou quatro tempos, respeitando as várias etapas de funcionamento.
Os quatro tempos do ciclo Otto
Primeiro tempo - Admissão
Na primeira fase do ciclo, a válvula de admissão (entrada) está aberta, enquanto a válvula de escape (saída) permanece fechada. O pistão se move de forma a aumentar o volume da câmara de combustão, sendo que a mistura de combustível com o ar dá entrada no cilindro sob pressão, praticamente constante. Daí que se diga que na fase de admissão ocorre uma transformação isobárica, isto é, uma transformação sob pressão constante.
Segundo tempo - Compressão
Neste segundo momento, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas e o pistão realiza um movimento rápido, comprimindo a mistura ar-combustível. Essa ação leva a que ocorra um aumento de pressão e, consequente e simultaneamente, uma diminuição do volume da mistura. No fim dessa etapa, a pressão do sistema é cerca de nove vezes superior à pressão atmosférica.
Terceiro tempo - Explosão/Combustão
Na terceira etapa do ciclo Otto, as válvulas de admissão e escape continuam fechadas, enquanto o pistão sobe e a vela solta uma faísca, o que provoca a combustão da mistura. Por meio deste processo de queima, é obtida uma enorme quantidade de energia térmica, sendo parte dessa energia convertida num movimento mecânico. Graças a este fornecimento de calor, a pressão do sistema vai aumentar, forçando violentamente o pistão a fazer um movimento descendente, de modo a aumentar o volume do cilindro.
Quarto tempo - Exaustão
Neste momento final, na altura em que o pistão chega à posição de maior volume do cilindro, a válvula de escape se abre, mas a de admissão permanece fechada, o que faz com que o gás quente seja expulso da câmara de combustão, arrefecendo assim todo o sistema. Depois de acontecer esse arrefecimento, o pistão volta a subir, diminuindo o volume da câmara de combustão e expulsando os gases da queima, os quais serão libertados pelo sistema de escape. Logo que os gases são expulsos, o motor retorna à sua condição inicial, permitindo que o ciclo se reinicie.
Diesel
O motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a combustão se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão do ar.
Em 23 de fevereiro de 1893 o engenheiro alemão Rudolf Diesel recebeu a patente para o seu motor de autoignição. O motor Diesel destaca-se ainda hoje pela economia de combustível.
Ciclo Termodinâmico
Para o ciclo teórico, as evoluções constantes as propriedades analisadas. Em ambos os casos, a evolução é:
1 → 2 : Compressão isentrópica  {\displaystyle W_{1,2}}
2 → 3 : Fornecimento de calor a pressão constante (isobárico) {\displaystyle q_{2,3}}
3 → 4 : Expansão isentrópica  {\displaystyle W_{3,4}}
4 → 1 : Cedência de calor a volume constante  {\displaystyle q_{4,1}}
Funcionamento Mecânico
Na maioria das aplicações o motor Diesel funciona como um motor quatro tempos. O ciclo inicia-se com o êmbolo no ponto morto superior. 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, 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 fato de atingir a quantidade suficiente para uma perfeita mistura (ar + combustível) e consequentemente uma boa combustão.
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 dois tempos, o ciclo é completado a cada volta, a admissão não é feita por válvulas, mas sim por janelas.
Velocidade
Este tipo de motor pode ser dividido em 3 parâmetros industrialmente:
Altas velocidades - (acima de 1000rpm) - São mais utilizados em inúmeras aplicações (automóveis, caminhões, barcos, compressores, bombas, entre outros). Geralmente motores há quatro tempos com a combustão a dar-se rapidamente.
Médias velocidades - (variam entre as 500 e 1000rpm) - Na indústria, estes motores são utilizados em aplicações de "grande porte", tais como locomotivas, grandes compressores e bombas, grupos geradores diesel-elétricos e alguns navios. 
Baixas velocidades - (variam entre 60 e 200rpm) - Em grandes navios, os maiores motores (em dimensão) quando comparados com os outros dois, estes motores diferenciam-se não só pela potência que são capazes de desenvolver (cerca de 85 MW), como pelas propriedades do combustível - normalmente óleo combustível pesado.
Ciclo Diesel Teórico
O ciclo teórico do diesel é o ciclo teórico de um motor a diesel, também conhecido como motor de ignição por compressão.
O ciclo teórico de um motor térmico é uma aproximação teórica de sua operação para calcular seu desempenho.
O ciclo de um motor de combustão interna é constituído pelas transformações físicas e químicas sofridas pelo combustível durante a passagem dentro do motor.
O estudo de um ciclo real, considerando todas as numerosas variáveis, representa um problema muito complexo. Por esta razão, é geralmente simplificado recorrendo a aproximações teóricas, baseadas em diferentes hipóteses simplificadas.
A diferença fundamental entre o ciclo Otto e o ciclo diesel está na fase de introdução de calor. No ciclo Otto, o calor é introduzido em volume constante, enquanto no ciclo diesel é realizado a pressão constante. Outra diferença entre os dois ciclos está nos valores da taxa de compressão, que varia de 12 a 22 para o motor a diesel, enquanto oscilaapenas entre 6 e 10 para o motor Otto ou motores a gasolina.
Diagrama do ciclo teórico do diesel.
Como visto na figura, o ciclo diesel ideal consiste em quatro linhas térmicas que representam:
Compressão adiabática. Sem troca de calor. (1-2);
Introdução de calor a pressão constante (2-3);
Expansão adiabática. Sem troca de calor (3-4);
Expulsão do calor em volume constante (4-1).
Desempenho térmico ideal do ciclo teórico do diesel
Durante a transformação 2-3 da introdução do calor Q1 a pressão constante, o pistão entra em operação e, portanto, o fluido produz o trabalho:
Deve salientar-se que em uma transformação com introdução de calor a uma pressão constante o valor da entalpia do fluido de trabalho varia, enquanto que no caso da transformação a volume constante varia a energia interna do fluido. 
Ciclo de Brayton
Em 1872, George Brayton pediu uma patente para o seu "Ready Motor", motores que usavam um compressor de pistão separado do expansor, injetando ar comprimido quente pelo cilindro interno do expansor. As primeiras versões do motor de Brayton eram os motores a vapor que misturavam o Combustível e o ar enquanto o compressor, por meio de um Carburador em uma superfície aquecida. O combustível/ar ficava contido em um reservatório e depois ia para um cilindro de expansão onde era queimado, a medida com que o combustível entrava no cilindro de expansão era acendida uma chama piloto. Uma tela de proteção foi usada para impedir que o fogo voltasse para o reservatório, porém nas primeiras tentativas tal tela falhava e uma explosão ocorria.
Em 1874 Brayton resolveu o problema da explosão adicionando o combustível imediatamente antes do cilindro expansor. O motor agora usava combustíveis mais pesados, como querosene e óleo combustível, onde a ignição continuava pela chama piloto.[3] Brayton produziu e vendeu os "Ready Motors" para execução de uma variedade de tarefas, como bombeamento de água, operação de moinho, geradores termoelétricos e propulsão marítima. Brayton licenciou seu projeto através da Simone no Reino Unido, onde havia muitas variações em seu layout; alguns eram de ação simples, outros de ação dupla, outros tinham funcionamento em terra e outros aéreos. Havia ainda a variedade de modelos horizontais e verticais, podendo ir de um a até 40 cavalos, tendo uma eficiência razoável para época. 
História da Turbina de Gás
1791 Primeira patente de uma turbina a gás (John Barber, Reino Unido);
1904 Projeto de turbina a gás sem sucesso de Franz Stolze em Berlim (primeiro compressor axial);
1906 TG por Armengaud Lemale na França (compressor centrífugo, sem potência útil);
1910 Primeira TG com combustão intermitente (Holzwarth, 150 kW, combustão de volume constante);
1923 Primeiro turbocompressor de gases de escape para aumentar a potência dos motores diesel;
1939 Primeira turbina a gás do mundo para a geração de energia (Brown Boveri Company), Neuchâtel, Suíça (queimador velox, aerodinâmica por Stodola).
Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás.
O Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante.
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, como demonstrado em Esquema básico de Brayton.
O ciclo do motor é nomeado após George Brayton (1830-1892), coordenador americano que o desenvolveu originalmente para o uso nos motores de pistão, embora fosse proposto e patenteado originalmente por John Barber, inglês em 1791, Também é conhecido como o ciclo de Joule. O ciclo de Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso de um regenerador. Há dois tipos de ciclos de Brayton, abertos à atmosfera e usando a câmara de combustão interna ou fechado e usando trocador de calor.
Esquema básico de Brayton
Entre 1 e 2 o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde por compressão adiabática e isotrópica ocorre o aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, entre 2 e 3, onde é misturado ao combustível possibilitando sua queima e seu aquecimento tendo sua pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, entre 3 e 4. Na medida em que o fluido fornece o trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos seus gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor. A quarta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente em que se encontra.Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada por forma de calor nos gases quentes fluindo como escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de Ciclo termodinâmico, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda lei da termodinâmica.
Estagios.
1→2: De 1 a 2, tem-se uma transformação adiabática. Nesse estágio, o gás écomprimido adiabaticamente.
{\displaystyle W={\frac {nR}{\gamma -1}}\cdot (T_{2}-T_{1})}2→3: De 2 a 3 temos uma transformação isobárica do gás. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que recebe calor do meio. {\displaystyle Q_{q}=nc_{p}(T_{3}-T_{2})}
3→4: De 3 a 4 temos uma transformação adiabática. Nesse estágio, ocorre uma expansão adiabática. 
4→1: De 4 a 1 temos uma transformação isobárica. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que perde calor para o meio. 
Modelos:
Brayton motor de explosão de ar de 4 tempos 1890
Motor de Brayton a gás 1872
Brayton motor de viga de marcha 1872
Comparação:
O primeiro ciclo de Ericsson é chamado agora de ciclo de Brayton. O segundo ciclo de Ericsson que é o ciclo mais conhecido usualmente como "Ciclo de Ericsson"; Já o segundo ciclo de Ericsson seria o limite do Ciclo de Brayton.
	Ciclo/Processo
	Compressão
	Adição de calor
	Expansão
	Dissipação do calor
	Ericsson (Primeiro, 1833)
	adiabático
	isobárico
	adiabático
	isobárico
	Ericsson (Segundo, 1853)
	isotérmico
	isobárico
	isotérmico
	isobárico
	Brayton (Turbina)
	adiabático
	isobárico
	adiabático
	isobárico
Ciclo fechado de Brayton
Referencias e Bibliografia:
Desenvolvimento de um Range Extender baseado num motor BMW K75: transformação de ciclo Otto para ciclo Miller. Dissertação de mestrado. Pedro Joaquim Pereira dos Santos. Universidade de Minho - Escola de Engenharia.
Sistema de Desenvolvimento para controle eletrônico dos motores de combustão interna Ciclo Otto. Dissertação de Mestrado.Carlos Eduardo Milhor. Escola de Engenharia de São Carlos - EESC - USP.
https://www.kbb.com.br/detalhes-noticia/o-que-e-ciclo-otto/?ID=1270
Fundamentos de Física, volume 2 - 8 edição: gravitação, ondas e termodinâmica/ Halliday,Resnick, Jearl Walker: tradução e revisão técnica Ronaldo Sérgio de Biasi - Rio de Janeiro, LTC,2009
Gas Turbine History. 3 de junho de 2010.
Frank A. Taylor (1939). "Catalog of the Mechanical Collections of the Division of Engineering". United States National Museum Bulletin 173, United States Government Printing Office, p. 147.
Wylen G., Sontagg R. and Borgnakke C. (2017). Fundamentos da Termodinâmica Clássica. [S.l.]: Edgard Blücher LTDA
V. Wylen, Sonntag, C.Bornakke (8 de Junho de 2006). Fundamentos da Termodinâmica Clássica, Tradução da quarta edição americana.