Trabalho ciclos termicos

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Matéria: Maquinas Térmicas
Professor: Fernando
Aluno: Alex Teixeira Freitas
Matricula: 19308099001
Ciclos Termodinâmicos
Resumo
Um ciclo termodinâmico é constituído por processos termodinâmicos que após seu início, o sistema regresse a seu estado inicial; ou seja, que a variação das grandezas termodinâmicas próprias do sistema seja nula.
A principal característica dos ciclos termodinâmicos é que a lei da conservação de energia, que é a soma de calor e trabalho recebidos pelo sistema deve ser igual à soma de calor e trabalho realizados pelo sistema.
Abstract
A thermodynamic cycle is constituted by thermodynamic processes that after its beginning, the system returns to its initial state; that is, the variation of the thermodynamic quantities of the system is zero.
The main characteristic of thermodynamic cycles is that the law of energy conservation, which is the sum of heat and work received by the system, must be equal to the sum of heat and work performed by the system.
A Termodinâmica
É o estudo do ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume. Onde calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas a vapor.
Lei zero da Termodinâmica
Essa lei é fundamental para a termodinâmica e afirma que "se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si". Essa lei permite a definição de uma escala de temperatura, como por exemplo, as escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit, Kelvin e Newton.
Primeira lei da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica se ocupa daquilo que é necessário para que trabalho seja transformado em calor, é uma versão da lei de conservação da energia, também conhecido como Princípio de Joule. Observa-se também a equivalência entre trabalho (W) e calor (Q), onde constatou-se que a variação Q - W é a mesma para todos os processos termodinâmicos.
Segunda lei da Termodinâmica
A Segunda Lei da Termodinâmica trata da transferência de energia térmica. Isso quer dizer que ela indica as trocas de calor que têm tendência para igualar temperaturas diferentes (equilíbrio térmico), o que acontece de forma espontânea.
Os seus princípios são que o calor é transferido de forma espontânea do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura e que todo processo tem perda porque seu rendimento sempre é inferior a 100%.
É expressa pela seguinte fórmula:
 
Fórmula para calcular rendimento, de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica onde,
QA: calor fornecido por aquecimento
QB: calor não transformado em trabalho
Efeitos Termodinâmicos
Adiabático - são aquelas transformações gasosas onde não há troca de calor com o meio externo. Sendo assim, na transformação adiabática o calor é zero.
Isotrópico – são materiais que sua expansão é igual para todos os lados quando lhe é adicionado energia térmica. 
 
Isotérmico – é uma transformação termodinâmica que ocorre a temperatura constante em um sistema fechado, sistema este que permite trocas de energia.
Isobárico - é uma transformação termodinâmica na qual a pressão permanece constante em um sistema fechado, sistema este que permite trocas de energia.
Isocórico - é uma transformação termodinâmica na qual o volume permanece constante.
1.Ciclo de Otto 
O ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o funcionamento de um típico motor de pistão de ignição com faísca[1]. É o ciclo termodinâmico mais comum em motores de automóveis, funcionando nos chamados quatro tempos: Admissão, compressão, combustão e exaustão (escape).
1.1 História
O primeiro motor de quatro tempos foi feito pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto, apesar de a primeira patente foi criada por Alphonse Beau de Rochas em 1861. Seis anos depois, viria a ser desenvolvido um motor estacionário que utiliza uma mistura gás de carvão como combustível. Este princípio de quatro tempos hoje é comumente conhecido como o ciclo de Otto, e motores de quatro tempos usando velas de ignição muitas vezes são chamadas motores Otto. Com seu invento, Otto ganhou a medalha de ouro da Feira de Hannover de 1867, vindo a patentear seu invento, que, 19 anos depois teve a patente anulada devido ao "descobrimento" dos estudos de Alphonse Beau de Rochas na área dos motores de quatro tempos. No entanto, mesmo com o anulamento da patente, há evidencias de que Otto nunca tenha feito contato com Alphonse.
A empresa então fundada por Otto fundou a empresa N.A. Otto & Cie., que existe até hoje, porém atualmente com o nome de Deutz A.G. fabricando motores de diversos tamanhos, desde os estacionários, marítimos e automotivos. O motor Otto se consagrou como a grande força motriz devido às suas vantagens em relação aos outros motores, especialmente o motor o vapor, que necessitava de grandes reservatórios de água e tinha baixo rendimento.
1.2 Esquema da máquina de Otto
Fig.1
1.3 Fases do ciclo
A Figura 1 dá uma ideia da operação de um cilindro básico de um motor de Otto: dispões de 2 válvulas (admissão no lado esquerdo e escape no lado direito) e de um dispositivo de centelha elétrica para ignição (vela).
A mistura de ar e combustível é fornecida por um sistema de alimentação (carburador ou sistemas de injeção eletrônica).
1.3.1. 1ª fase: Admissão
A válvula de admissão está aberta e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e combustível para o interior do cilindro. É uma transformação (EA) praticamente isobárica.
1.3.2. 2ª fase: Compressão
Ao atingir a posição mais inferior (ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada e o movimento ascendente comprime a mistura. Esse processo (AB) é aproximadamente adiabático, porque a velocidade do pistão é alta, havendo pouco tempo para a troca de calor.
1.3.3. 3ª fase: Explosão
Ao atingir a posição mais superior (ponto morto superior), tem-se o final do movimento ascendente do êmbolo que comprime ao máximo mistura. Nesse instante a ignição emite a centelha que provoca a combustão da mistura. O processo é praticamente isocórico.
1.3.4. 4ª fase: Expansão
O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura, que se expande, forçando o pistão para baixo. Como na compressão, a transformação pode ser suposta adiabática.
1.3.5. 5ª fase: Descarga
O pistão atinge o ponto morto inferior, quando a válvula de escape é aberta, reduzindo rapidamente a pressão do gás. Pode-se supor um processo sob volume constante, durante o qual o ciclo cede calor ao ambiente.
 O movimento ascendente com a válvula de escape aberta remove a maior parte dos gases da combustão e o ciclo é reiniciado quando o pistão chega ao ponto morto superior.
1.4. Eficiência e cálculos
1.4.1. Fatores relevantes para um bom desempenho do motor
1.4.1.1. Combustível
Um bom combustível deve resistir à alta pressão sem explodir espontaneamente, permitindo que a mistura (ar + combustível) atinja o volume mínimo, para só então explodir com o centelhamento da vela de ignição. Tal combustível é dito de alta octanagem.
1.4.1.2. Taxa de Compressão do Motor (r)
Também conhecida como relação de compressão, é a razão entre o volume máximo e o volume mínimo verificados durante o ciclo do interior do cilindro. Na prática a taxa de compressão é limitada pela ocorrência de auto-ignição da mistura (baixa octanagem).
 r = VA / VB
1.4.1.3. Período do Ciclo (T)
Quanto menor o intervalo de tempo necessário para que o pistão execute um ciclo completo maior será a eficiência do motor o que também depende diretamente da qualidade do combustível.
1.5 Cálculo do Trabalho e Eficiência
Sabemos que durante as evoluções consideradas adiabáticas o gás não troca energias sob forma de calor com o meio externo. Ocorre apenas troca deenergia sob forma de energia mecânica. 
Nas transformações isocóricas, ao contrário não há realização de trabalho, mas há troca de calor.
Temos: Calor absorvido: QBC = cv (TC – TB)
 Calor cedido: QDA = cv (TD – TA)
Atendendo ao primeiro princípio, escrevemos: Wciclo = d Q − d U
 Trabalho: Wciclo = dQ – dU , sendo a variação da energia interna do gás durante cada ciclo fechado dU = 0 e dQ = Q BC − Q DA. 
Substituindo, temos: W = dQ = cv [( TC − TB) − (TD − TA) ]
A eficiência (η) do ciclo é dada pela relação entre o trabalho realizado e o calor total fornecido. Assim, obtemos:
η = W / QBC = (QBC + QDA) / QBC = 1 + QDA / QBC
η = 1 + cv [(TA − TD) / cv [( TC − TB)
η = 1 + TA [1 – (TD / TA) / TB [(TC / TB) − 1].
Considerando que TC / TB = TD / TA = (VA / VB)( h-1 )
Assim a eficiência ou rendimento pode ser escrita:
η = d Q / QBC = 1 − (TA / TB) = 1 − (VA / VB) - ( h-1 )
em que h é a relação cp/cv.
 O termo (VA / VB) equivale à relação entre os volumes máximo e mínimo do
interior do cilindro. É comumente denominado relação de compressão ou taxa de compressão do motor, que se simboliza com r. 
Portanto, a eficiência é dada por : η = 1 −1 / r ( h-1 )
1.6 Resumo
 A figura 2 dá uma idéia da operação de um cilindro básico de um motor de ciclo Otto: dispõe de duas válvulas (admissão no lado esquerdo e escape no lado direito) e de um dispositivo de centelha elétrica para ignição (vela). A mistura de ar e combustível é fornecida por um sistema de alimentação (carburador ou sistemas de injeção).
Esse é o princípio de operação do motor de quatro tempo;
Fig. 2
2 Ciclo de Diesel
2.1 História
 O engenheiro Rudolf Diesel patenteou um motor à combustão de grande eficiência, em 1900, este, era movido a óleo de amendoim, cuja tecnologia leva seu nome até hoje.
Atualmente está se estudando formas de reaproveitamento do óleo de cozinha na utilização como óleo combustível para motores movidos a Diesel, afim de se reduzir custos. 
2.2 Esquema de maquinas de Diesel
Os motores Diesel funcionam como um motor quatro tempos como visto na fig 1. 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 aumenta, 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. 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
De uma forma geral o estado inicial do ciclo de diesel é aquele que promove uma compressão adiabática e leva a máquina ao próximo estado. Neste estado ocorre uma transformação isobárica onde a máquina recebe calor. Durante a mudança deste para o próximo estado, ocorre uma expansão adiabática. Finalmente, ocorre uma transformação isocórica onde a máquina perde calor e a partir daí, reinicia-se o ciclo.
Fig 1.
2.3 Diferença principal entre motores de Diesel e de gasolina
É importante enfatizar a diferença dos motores diesel para gasolina sob o aspecto da combustão: nos motores a gasolina há um dispositivo faiscador (vela) que não há na maioria dos sistemas diesel. Outro dado é o de que no motor a gasolina o combustível entra na câmara durante a admissão do ar, o que provoca perdas na taxa de compressão do motor. Já no sistema diesel, somente o ar é aspirado na admissão e o combustível é injetado quando o motor atinge máxima compressão do ar ocasionando assim a explosão da mistura.
2.3.1. Outras características 
O Diesel apresenta outras características importantes em relação a gasolina, uma delas é o tempo de evaporação. Pelo fato desse combustível ter maior viscosidade que a gasolina ele apresenta um maior tempo de evaporação, já que é necessária mais energia térmica para romper a ligação das moléculas. Outra característica interessante é a de que o diesel tem cadeias de carbono mais longas do que a gasolina, enquanto o diesel tem moléculas tipo C14H30, a gasolina possui C9H20. Esse é um dos fatores que contribui para o preço do óleo diesel ser mais barato de se produzir, já que ele necessita menor refino do petróleo que a gasolina. Finalmente a densidade energética do diesel é maior. Para cada 3,785 litros de diesel pode-se obter 155 milhões de joules, enquanto para a mesma quantidade de gasolina a taxa energética cai para 132 milhões de joules. Esses dados refletem no aproveitamento do combustível durante o consumo: os motores a diesel tendem a ser mais econômicos que os motores a gasolina quando empregados no mesmo veículo.
2.4 Resumo de funcionamento do motor a Diesel.
A combustão é causada pela compressão da mistura ar + combustível como visto na fig 2. O ar é admitido pela câmara no primeiro ciclo entrando na câmara. No segundo ciclo, o pistão faz a compressão dessa massa de ar e a término da compressão, injeta-se combustível sob pressão no interior da câmara. Dada as altas temperatura e pressão no interior da câmara, a mistura sofre a explosão ao final do ciclo. A expansão do gás originário dessa explosão expande-se originando o terceiro ciclo. Finalmente o gás de resíduos da combustão é liberado pelas válvulas, quando então, reinicia-se o processo.
Fig 2.
3. Ciclo de Stirling
O motor Stirling original que foi inventado, desenvolvido e patenteado em 1816 pelo Reverendo Dr. Robert Stirling com a ajuda de seu irmão, um engenheiro, visava a substituição do motor a vapor por uma alternativa mais segura. Além disso utilizava ar ao invés de vapor e pode empregar qualquer fonte de calor como combustível. Este ciclo delimita uma quantidade fixa de fluido de trabalho em seu interior, ininterruptamente na forma gasosa.
3.1 História
O motor Stirling é um motor de combustão externa. No início do século XIX, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro. É referido também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho.
3.1 Esquema das maquinas de Stirling
Esse ciclo termodinâmico consiste de quatro processos internamente reversíveis em série: consiste em uma expansão isotérmica (processo AB), seguido de resfriamento a volume constante (processo BC), uma compressão isotérmica (processo CD) e um aquecimento a volume constante (processo DA).
 A seguir tem-se um diagrama pV característico do ciclo de Stirling.
Fig 1.
 O motor Stirling ganha dos demais na simplicidade, pois consiste apenas de duas câmaras que proporcionam temperaturas diferentes para o resfriamento alternado de um determinado gás. Esse resfriamento alternado provoca uma expansão e contração cíclicas que movimentam os êmbolos ligados a um eixo comum.
3.3 Vantagens sobre outros motores
A eficiente é maior do que outros motore, alguns motores construídos nas décadas de 50 e 60 chegaram a índices de eficiência de 45%, superando e muito os motores a gasolina ou diesel que possuem uma eficiência média de 20% a 30%.
Outra vantagem desse motor é que ele é menos poluente, vistoque a combustão é contínua e não intermitente, o que permite que ocorra a queima completa e eficiente do combustível. Para que esse processo ocorra basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a fria. Porém como desvantagens existe a dificuldade de dar partida no motor e a irregularidade na velocidade do motor.
3.4 Funcionamento de um motor de Stirling
Para um bom funcionamento dos motores de Stirling existem algumas condições são:
Se existir uma quantidade exata de gás em um volume fixo de espaço e a temperatura desse gás aumenta, a pressão também irá aumentar;
Se existir uma quantidade exata de gás em um volume fixo de gás e ele for comprimido, ou seja, diminuir o volume de seu espaço, a temperatura desse gás irá aumentar.
Quatro fases compõem o ciclo de Stirling: (Fig.2)
1. Expansão isotérmica: Uma fonte de calor externa aquece o gás enquanto este se expande a fim de que sua temperatura permaneça constante.Ao fornecer a quantidade de calor {\displaystyle Q_{1}} o gás se expande do volume {\displaystyle V_{1}}a {\displaystyle V_{2}}isotermicamente,portanto a pressão no interior do cilindro é reduzida acordo com a equação. {\displaystyle pV=nRT}Desde que as mudanças de estado isotérmicos não alterem a energia interna U do sistema (dU = 0), o primeiro princípio de Termodinâmica é dado por dW = dQ, isto é, a entrada de calor se transforma completamente em trabalho mecânico. 
{\displaystyle W_{1}=\int _{V_{1}}^{V_{2}}dW=-nRT_{1}\ln(V_{2}/V_{1})=-Q_{1}}
2. Resfriamento isocórico: O calor é retirado do gás. O gás se mantém a volume constante {\displaystyle V_{2}=V_{3}}e sua pressão diminui. Assim, o gás é resfriado da temperatura {\displaystyle T_{1}}a temperatura {\displaystyle T_{2}}e consequentemente reduz a sua energia interna {\displaystyle U_{2}=C_{v}(T_{2}-T_{1})}. Uma vez que ocorre um processo isocórico, nenhum trabalho mecânico é executado {\displaystyle (W_{2}=0)},portanto, de acordo com o primeiro princípio da termodinâmica {\displaystyle Q_{2}=U_{2}<0}.
3. Compressão isotérmica: O gás é refrigerado enquanto seu volume diminui voltando ao seu estado inicial colaborando para que sua temperatura não aumente. Nesse processo, há uma perda de calor {\displaystyle Q_{3}}, há também uma compressão do volume do gás no cilindro, além de um aumento na pressão interna, ressaltando que tudo ocorre isotermicamente de acordo com a equação {\displaystyle pV=nRT}, fazendo com que seja possível que o ciclo se forme, mantendo assim sua energia interna igual a 0.
4. Aquecimento isocórico: Para que o ciclo se complete, nessa última parte do processo, há um pequeno aumento na temperatura fazendo com que ela retorne ao seu estado inicial, enquanto o volume se mantém constante, ressaltando que ocorre um aumento na pressão interna do sistema, além de um aumento na energia interna do ciclo, fazendo com que ele se retorne à primeira etapa, com seu volume, pressão e temperatura na forma inicial do processo.
Fig.2
3. Tipos de Motores
Os motores de Stirling são classificados em três tipos: alfa, beta e gama.
O modelo alfa possui dois pistões, um de compressão e um de expansão, posicionados a noventa graus um do outro. Há um lado quente, onde ocorre a expansão do gás, e um lado frio onde ocorre a compressão e esses lados estão unidos entre si. Os dois pistões em conjunto comprimem o gás no espaço frio, movimentam o gás para o espaço quente onde ele se expande e depois volta para a parte fria. Estes dois pistões são ligados em série com o trocador de calor de resfriamento, o trocador de calor de aquecimento e o regenerador; o regenerador absorve uma parte do calor que não seria utilizado pelo motor, reaquece o ar frio e devolve para o cilindro quente, semelhante um acumulador térmico como visto na figura 3.
Fig.3
O modelo beta só utiliza um cilindro e dois pistões em linha. O pistão interno é responsável pelo deslocamento do fluído de trabalho da parte quente para a parte fria. O segundo pistão (externo) mantém suspenso o pistão deslocador, que é responsável pelo trabalho do motor e ajuda no confinamento do fluido de trabalho no interior do motor como visto na figura 4.
Fig.4
O modelo gama está entre os modelos mais conhecidos e possui um mecanismo mais simples, visto que quando comparado ao tipo alfa, os dois cilindros que constituem o motor são independentes. O pistão deslocador (quente) é responsável por deslocar o fluido de trabalho da câmara quente para a câmara fria, o mesmo é suspenso por uma haste deslizante sobre buchas, pelo centro do cilindro quente e este pistão é totalmente isolado e confinado em ambiente externo. O pistão de trabalho encontra-se separado do cilindro quente e é responsável pela compressão, expansão, descompressão e contração do fluido como se verifica na figura 5.
Fig.5
{\disW=W_{1}+W_{3}=-nR(T_{1}-T_{2})\ln(V_{2}/V_{1})=-\oint pdV}$
4 Ciclo de Carnot
A máquina de Carnot, funciona entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria).
4.1 História
O ciclo foi criadopelo físico e engenheiro militar Nicolas Léonard Sadi Carnot no ano de 1824. Ele é representado por uma seqüência de transformações gasosas onde uma máquina térmica tem o seu rendimento máximo operando em ciclos, diante de duas fontes térmicas. Carnot mostrou que quanto maior a temperatura da fonte quente, maior seria seu rendimento para uma substância que se comportasse como um gás ideal.
4.2 Funcionamento
Na figura 1 mostra a energia e a temperatura em Q e T respectivamente, que durante cada ciclo do motor, a substância de trabalho absorve a energia Qa sob a forma de calor de um reservatório térmico mantido a temperatura constante Ta e libera a energia Qb sob a forma de calor para um segundo reservatório térmico mantido a uma temperatura inferior, também constante Tb.
Fig. 1
Podemos dar como exemplo uma locomotiva a vapor, onde a caldeira representa a fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de calor, que é a energia útil, é convertida em trabalho mecânico. A outra parte dessa energia, chamada energia dissipada, é jogada para a atmosfera, que, nesse caso, possui o papel de fonte fria.
4.3 Resumo
De modo geral o ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas como visto na figura 2: uma para a temperatura T1 da fonte quente onde ocorre o processo de expansão e a outra temperatura T2 referente a fonte fria onde ocorre o processo de compressão. Cada uma dessas transformações é intercalada com duas transformações adiabáticas. 
Fig.2
Assim temos que os processos são:
Expansão isotérmica AB onde o gás retira energia térmica da fonte quente;
Expansão adiabática BC onde o gás não troca calor;
Compressão isotérmica CD onde o gás rejeita energia térmica para a fonte fria;
Compressão adiabática DA onde o gás não troca calor.
Ciclos x Efeitos termodinâmicos
	Ciclos
	Compressão
	Adição de calor
	Expansão
	Rejeição de Calor
	Tipo de Combustão
	Otto
	adiabático
	isobárico
	adiabático
	isocórico
	Interna
	Diesel
	adiabático
	isobárico
	adiabático
	isocórico
	Interna
	Stirling
	isotermo
	isocórico
	isotermo
	isocórico
	Externa
	Carnot
	isotrópico
	isotermo
	isotrópico
	isotermo
	Externa
Referências Bibliográficas 
HALLIDAY, RESNICK, WALKER (1996). Física Vol. 2. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos
MARTINS, Jorge – “Motores de combustão interna”. 2.ª ed. Porto : Publindústria, 2006. ISBN 972-8953-82-X
SILVEIRA, Fernando Lang da. Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de
Diesel. Instituto de Física da UFRGS.
RISSO, P.L. Curto; MEDINA A. & HERNÁNDEZ, A Calvo. Theorical and simulated
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PAULI, FARID, & HEILMANN. Calor e Termodinâmica. EPU. 1979, p. 176-177.
Site: www.if.ufrgs.br