Motor de Ciclo de Otto e a 1ª Lei da Termodinâmica

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
SUL-RIO-GRANDENSE
CURSO TÉCNICO EM QUÍMICA 
RAPHAELA DE VARGAS ROEPKE
MOTOR DE CICLO DE OTTO
1ª LEI DA TERMODINÂMICA 
Pelotas, 2018
INTRODUÇÃO
Até o início de 1800 acreditava-se que o calor era um fluido chamado calórico contido em todos os objetos, que objetos quentes possuíam mais fluido calórico do que objetos frios, e que quando dois objetos entravam em contato esse fluido passava de um para o outro a fim de se estabelecer o equilíbrio. Este conceito equivocado atrasou o desenvolvimento da termodinâmica e consequentemente a construção dos motores de combustão. (Varella, 2016)
LAPLACE e LAVOISIER (1783), introduziram o conceito de calor especifico, e nessa mesma época surgiu a ideia de que o calor era uma forma de energia. PAPIM construiu a primeira máquina a vapor usando o princípio de que o volume de um gás é inversamente proporcional à sua pressão (BOYLE). VOM RUMFORD (1798), notou o surgimento do calor por fricção. MAYER e POISSON (1842) calcularam a equivalência do trabalho em calor a partir da expansão adiabática dos gases e definiram a equação do gás ideal. JOULE mediu diretamente a equivalência do trabalho e calor. (Varella, 2016)
Sabe-se que no ensino de física geralmente se utiliza a concepção substancialista de calor ao se abordar o conteúdo da calorimetria. Recorrendo à história da termodinâmica, verifica-se que essa concepção aparece na teoria do calor-substância elaborada por Wolff no início do século XVIII, recebendo a denominação de calórico. Ela impregnaria toda matéria e era indetectável quando o corpo estivesse em equilíbrio térmico. Sua detecção só seria possível através de sua permutação com outro corpo quando o equilíbrio térmico fosse rompido (Astolfi & Develay 1991)
A Termodinâmica trata das propriedades da matéria sob circunstâncias nas quais a noção de temperatura e calor não podem ser ignoradas. Sua apresentação atual envolve as leis da Termodinâmica e os princípios relacionados, uma forma concisa de resultados empíricos e interpretações teóricas durante um período de mais de 150 anos. É exatamente por isso que a Termodinâmica permanece como um ramo formidável da Física, e a sua sólida base experimental oferece um alto grau de confiabilidade e é nisso que reside sua força. Paradoxalmente, essa é também sua fraqueza: historicamente, a Termodinâmica não se desenvolveu baseada em qualquer modelo atômico ou mecânico da matéria que poderia permitir observar como ela funciona (Colucci & Savi, 2010).
Ela se subdivide seguindo duas leis principais: 1ª lei e 2ª lei da termodinâmica. A primeira, afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Ela pode somente ser modificada ou transferida de um objeto a outro. Assim, a energia não pode ser criada nem destruída, mas pode mudar de uma forma mais útil para uma forma menos útil. Geralmente uma parte dessa energia é perdida e transforma-se em calor que posteriormente será convertido em trabalho. A segunda lei rege a eficiência dessa transformação, indicando que jamais será possível uma máquina qualquer transformar calor em outras formas de energia (que gerem trabalho) com 100% de eficiência.
Para entender melhor os ciclos de funcionamento de uma máquina térmica, é necessário conhecer o ciclo teórico desenvolvido pelo francês Nicholas Carnot – ciclo de Carnot. Em 1823, Carnot publicou “Reflexões sobre a potência motriz do fogo”. Um ciclo ideal que, partindo da transformação de gases perfeitos, deveria ter um rendimento de, aproximadamente 72% que nunca foi atingido por um motor térmico real.
Dentro das leis da termodinâmica podemos encontrar as máquinas térmicas que realizam algum trabalho líquido à custa da transferência de calor de um corpo a uma temperatura elevada para outro a uma temperatura mais baixa; ou transferem calor de algum corpo que está a uma temperatura baixa para outro a uma temperatura mais elevada à custa de um trabalho externo. Pode-se encontrar ainda os motores de Combustão Interna, os motores de ciclo de Otto e o ciclo Diesel, que são utilizados no nosso cotidiano em máquinas agrícolas, automóveis, entre outros.
Motor é uma máquina destinada a converter qualquer forma de energia térmica, elétrica, hidráulica, química e outras, em energia mecânica. Os motores de combustão interna realizam a transformação de energia térmica proveniente da combustão ou queima do combustível em energia mecânica. Distinguem-se aqui os dois principais tipos de motores, os que funcionam segundo a aspiração da mistura ar-combustível (Ciclo Otto) e posteriormente promovem a combustão pela queima da mistura através de uma faísca, e os motores que aspiram apenas o ar e, logo após a compressão, é pulverizado o combustível que logo promove a queima devido ao elevado calor e pressão gerados pela compressão do ar de admissão (Ciclo Diesel) (Tillmann, 2013).
DESENVOLVIMENTO
Ciclo de Otto
Desenvolvido por Nikolaus August Otto, em 1876, engenheiro alemão que, juntamente com seu assistente Gottlieb Daimler e com Wilhelm Maybach construíram um motor com o mesmo ciclo do francês de Alphonse Beau de Rochas. Esse modelo era bem mais compacto e leve, com aproximadamente 1/3 do peso do anterior e, uma eficiência próxima a 14%. Até 1890 tinham sido construídos 50.000 motores desse tipo na Europa e nos Estados Unidos. As características básicas dele são as mesmas encontradas nos motores de hoje. 
O motor do ciclo de Otto está fundamentado na primeira lei da termodinâmica, já que define as transformações do calor e do trabalho mecânico e o estudo das leis às quais obedecem os gases durante suas evoluções desde sua entrada no cilindro até sua saída para a atmosfera. O modelo ideal do ciclo de Otto, apresentado pela figura 1, é constituído por quatro processos reversíveis internamente: 1. Admissão isocórica 2. Compressão adiabática 3. Expansão adiabática e 4. Exaustão isocórica.
A figura 2 representa o ciclo real de Otto, apresenta a estrutura do Ciclo de Carnot, em que se alternavam duas evoluções adiabáticas e outras duas isocóricas. O motor de ciclo de Otto ficou conhecido como “motor de gás atmosférico de quatro fases”, ou quatro tempos.
Figura 1: Gráfico Pressão x Volume – Ciclo de Otto Ideal 		Figura 1: Gráfico Pressão x Volume – Ciclo de Otto Real		. Fonte: Schtuz, 2009.					Fonte: Dias, 2009
	Os motores do Ciclo de Otto possuem ignição por centelha, faísca elétrica (necessitam de energia elétrica para dar início a combustão). O combustível, gás, álcool ou gasolina, é misturado com o ar fora da câmera de combustão.
	Esses motores são constituídos de cilindros com pistões móveis e um virabrequim ou eixo que transmite o movimento dos pistões para as rodas. O motor é fabricado com ligas de metais capazes de suportar altas temperaturas sem se fundirem e com a propriedade de transmitirem facilmente o calor gerado pelo atrito entre as peças e a explosão para o ambiente. (NOA UFPB)
Fases do Ciclo de Otto
Para entender melhor o funcionamento de um motor do ciclo de Otto é necessário conhecer seus principais componentes, como é demonstrado na figura 3.
Figura 3: Principais componentes da máquina térmica de Otto.
Fonte: Daniel Schulz – UFRGS – 2009.
	O motor de combustão interna, a álcool ou a gasolina, é um exemplo típico do distanciamento entre a prática e a teoria, ou entre a tecnologia e a ciência. Dentre os elementos que compõe o motor, destacam-se necessários ao funcionamento as válvulas (que controlam a entrada e saída de ar ou produto da explosão), a vela que emite a faísca que dá início à explosão e no interior do motor o virabrequim que controla várias funções do motor como o acionamento das válvulas, a sincronia dos pistões e a transmissão de energia mecânica para a caixa de câmbio (Silveira, 2010)
	Os motores operam em quatro ciclos em diferentes etapas que ocorrem pelo deslocamento repetitivo do pistão. Tais máquinas são classificadas como motores de quatro tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão, como ilustra a Figura 4. Nos motores de ciclo Otto, a mistura(ar mais combustível fornecida por um sistema de alimentação (carburador ou sistemas de injeção) é introduzida na câmara de combustão. 
Figura 4: Demonstra os quatro tempos do motor.
Fonte: NOA UFPB
No 1º tempo: Admissão isobárica ocorre a admissão da mistura de ar com o combustível. O pistão desce e a válvula de admissão é aberta possibilitando a entrada da mistura. 
 No 2º tempo ocorre a compressão adiabática. Estando as válvulas fechadas, o pistão sobe e comprime a mistura de ar e combustível. 
 No 3º tempo ocorre a explosão com a expansão adiabática. Quando o pistão atinge o ponto de compressão máximo uma faísca elétrica provocada pela vela provoca a explosão do combustível, a explosão empurra o pistão para baixo. 
 No 4º tempo ocorre a exaustão ou Exaustão isobárica. A válvula de escape está aberta possibilitando a expulsão dos gases resultantes da explosão. Reiniciando o ciclo. (NOA, UFPB adaptado).
CONCLUSÃO 
Como ficou evidente no presente estudo, para descrever o desenvolvimento do Motor do ciclo de Otto é necessário baseá-lo nos ciclos termodinâmicos, especificamente no ciclo de Carnot. A primeira lei da termodinâmica explica o fenômeno da transformação de calor em trabalho, como foi possível observar no Motor de Ciclo de Otto.
REFERÊNCIAS
A evolução da tecnologia de motores: um estudo preliminar. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/256473770_A_evolucao_da_tecnologia_de_motores_um_estudo_preliminar [acesso em Junho, 22, 2018].
ALCÂNTARA DIAS, B. M. Unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico de um motor de combustão interna ciclo Otto. São Paulo. 2015. 269p. (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.
BRAIN, Marshall. "HowStuffWorks - Como funcionam os motores de carros". Publicado em 01 de abril de 2000 (atualizado em 14 de maio de 2008). Disponível em: <Http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros.htm> [acesso em junho, 22, 2018].
DIAS, Jorge Luiz G. “Ciclo de Otto: aplicação teórica e utilidade prática”. Publicado em julho de 2009. Disponível em: <https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/cicloottoartigofinal.pdf> [acesso em Junho, 20, 2018]
NOA UFPB. “O Ciclo Otto e os Motores de Combustão Interna. Objeto de Aprendizagem: O Ciclo de Otto e a Primeira Lei da Termodinâmica”. Publicado em setembro de 2007. Disponível em: < http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/Rived/15cOtto/materiais/saiba_mais.pdf> [Acessado em Junho, 22, 2018]
SAVI, Antonio A. and COLUCCI, Canesin C. “TERMODINÂMICA”. Maringá, 2010. Disponível em: <http://nead.uesc.br/arquivos/Fisica/termodinamica/modulo_termodinamica.pdf> [Acesso em Junho, 22, 2018]
SILVEIRA, Fernando L. “Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de Diesel”. Publicado em 22 de novembro de 2010. Disponível em <https://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/arquivos/maqterm.pdf> [Acesso em junho, 23, 2018].
TILLMANN, Carlos Antonio da C. “Motores de Combustão Interna e seus Sistemas”. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Pelotas/ RS, 2013. 
VARELLA, Alves C. B. “HISTÓRICO E DESENVOLVIMENTO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA”. UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO. Rio de Janeiro/ RJ. Disponível em: <http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/varella/Downloads/IT154_motores_e_tratores/Aulas/historico_e_desenvolvimento_dos_motores.pdf> [Acesso em junho, 23, 2018.]