Máquinas Térmicas

Prévia do material em texto

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo – Campus Registro
Máquinas Térmicas – Termodinâmica Aplicada 
Allysson Augusto Moreira Gomes
Danilo Venancio da Silva
Davyd Maxsuel Alexandre De Castro
Eduardo Cordeiro Leite
 Gustavo Yuri de Paula Pontes
Pedro Marques Schermack De Lima
Registro, 22 de Agosto de 2020
Histórico
A história inicia-se com Heron de Alexandria, no século I a.C, com sua invenção conhecida como eolípia ou simplesmente máquina de Heron. Uma esfera de cobre oca com água e dois “caninhos” torcidos abertos e sustentado por outros dois em sua base. A máquina era colocada sobre o fogo que fervia a água e o vapor escapava pelos canos, fazendo assim, a esfera girar.
Um longo período depois, em 1698, Thomas Savery (1650-1715) construiu uma máquina a vapor de interesse industrial. Sua invenção consistia na retirada da água dos poços de minas de carvão. 
Em 1712, Thomas Newcomen (1663-1729) aperfeiçoou a bomba de Savery e trouxe mais usos para a mesma. A maior diferença foi uma viga, executada assim como uma gangorra que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas.
Posteriormente, James Watt (1736-1819), filho de um carpinteiro que vendia equipamentos para navios, estudou a máquina de Newcomen e apresentou um novo modelo da máquina térmica, por volta de 1765 e 1770. Sua máquina possuía um condensador que minimizava as perdas de calor, fazendo com que o consumo de carvão fosse bastante menor. O motor de Watt fui utilizado para fundição e também para a propulsão de moinhos e tornos, substituindo as máquinas de Newcomen, as rodas d'água e os moinhos movidos a cavalo. 
Máquinas Térmicas: definição e funcionamento
Máquinas térmicas são aparelhos que podem transformar energia térmica em trabalho mecânico. 
Seu funcionamento se tem a partir de ciclos, onde é utilizado duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde se recebe calor e uma fonte fria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado.
Motor a combustão interna
Os motores a combustão interna são aqueles em que o combustível é queimado internamente. Aparelho que se constituí por pistão, biela e virabrequim. Ele transforma a energia térmica em energia mecânica.
Atualmente, os automóveis podem ter motores com quatro a oito cilindros e os carros de corrida podem ter até doze cilindros. Esses motores trabalham numa sequencia de quatro movimentos do pistão no cilindro, o que completa um ciclo. Esse ciclo de funcionamento foi aplicado por Nikolaus Otto e por isso também são chamados de "motor de 4 tempos" ou "motor Otto".
1o tempo: 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 tempo: 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 tempo: 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 tempo: exaustão: 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 do 1o tempo. Então, a válvula de admissão novamente se abre, reiniciando-se um novo ciclo.
No quarto tempo a mistura gasosa é eliminada pelo escapamento com temperatura maior do que antes da explosão, logo parte do calor de combustão é transformada em energia interna dos gases, além da troca de calor que ocorre entre a carcaça do motor e o ambiente. Portanto, a parte restante do calor de combustão é devida a energia de movimento do pistão, ou seja, realização de trabalho. No motor de combustão interna o trabalho (T) é realizado apenas no 3o tempo, quando os gases empurram o pistão para baixo. Nos demais tempos o pistão se movimenta devido a inércia do sistema ligado ao virabrequim. Uma parte da energia do combustível é utilizada na realização de trabalho e a outra parte é transferida ao meio ambiente, em cada ciclo, sendo necessário, a cada reinício, uma nova dose de combustível, ou seja, energia.
Referências
Uma breve história das máquinas térmicas; Disponível em: https://social.stoa.usp.br/articles/0031/0392/MaquinasVapor.pdf
MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA; Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/motor.htm
5