motores de combustão interna aula 1

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MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
AULA 1
 
 
 
 
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Prof. Ernesto Francesco Ronchi
CONVERSA INICIAL
Quando falamos em motores de combustão interna, normalmente pensamos
em um veículo. Essa visualização mental acontece exatamente porque o veículo
utiliza um motor à combustão para fazer propulsão.
Os motores de combustão, portanto, apresentam a função de gerar
transformação energética de forma a converter a energia para a realização de
trabalho mecânico. A conversão em trabalho mecânico objetiva utilizar a energia
mecânica para suprir necessidades – como movimentação de componentes – com
maior velocidade, força e capacidade, em comparação ao que um ser humano seria
capaz de fazer.
Isso faz com que o ser humano consiga multiplicar forças e fazer ações que
não seriam possíveis em condição normal, sem o uso do motor.
De fato, o motor de combustão, ao ser aplicado aos veículos, tornou-se um dos
grandes pilares de movimentação da economia. E não apenas por conta dos
veículos, mas em várias outras áreas, por permitir grande autonomia dos
equipamentos, desde uma simples roçadeira, que permite ao seu cortar grama em
qualquer local, até grandes extratores de minério, que apresentam praticidade,
grande capacidade e autonomia de motor para realizar as atividades para as quais
foram projetados.
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Além da manutenção requerida nesses equipamentos, é importante ressaltar
que os motores de combustão geram poluição gasosa e, por isso, devem ser muito
bem controlados, para que gerem a menor quantidade possível de gases poluentes.
Nesta aula, vamos abordar os princípios termodinâmicos do motor de
combustão, além de seus princípios de funcionamento, que norteiam as
características dos motores e suas emissões.
TEMA 1 – LEI DE BOYLE-MARIOTTE
Quando falamos no conceito de motor, estamos trabalhando com conceitos
básicos da física. E entre os conceitos básicos da física, trabalha-se muita com a
área de pneumática.
A pneumática (palavra que se origina do grego, significando sopro) é o ramo
da física que estuda as propriedades dos gases, em repouso ou em movimento. No
caso do motor convencional a pistões, utilizado em veículos leves e pesados,
trabalhamos com os conceitos da física aplicados à pneumática, com grandezas
como pressão, volume, temperatura e entropia. Tais conceitos são aplicados em
equações matemáticas, que permitem conhecer o comportamento em relação à
resistência do motor e, evidentemente, em relação a suas características
operacionais, como torque e potência, o que nos permite também chegar às
condições operacionais de consumo e níveis de emissões gasosas.
Para elucidar essas características, iremos abordar as leis que definem
parâmetros importantes do comportamento do motor. Como o motor trabalha com
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gases químicos e sua transformação, é importante conhecer esses segmentos de
pneumática, o que permitirá o adequado entendimento de informações e cálculos
que faremos no futuro.
A Lei de Boyle-Mariotte aponta que, considerando a temperatura constante de
uma massa de gás confinado em um recipiente fechado e hermético, a pressão
desse gás é inversamente proporcional ao seu volume. Ou seja, quando o volume
aumenta, há redução da pressão. Quando a pressão aumenta, há redução de
volume.
A Lei de Boyle-Mariotte foi baseada em experimentos feitos com ar
atmosférico, realizados por Robert Willian Boyle, físico irlandês, cujo objetivo inicial
era tentar compreender o comportamento do ar dentro dos pulmões humanos.
Robert Boyle enunciou sua lei em 1662. Mais tarde, em 1676, Edme Mariotte, físico
francês, enunciou a mesma lei, após realizar ensaios comprovando a modificação da
pressão ao se modificar o volume de uma massa de gás dentro de um ambiente
confinado.
Portanto, com o enunciado, é possível construir uma fórmula que inter-
relaciona a pressão e o volume. Dessa forma, temos:
A pressão multiplicada pelo volume sempre será igual a uma constante. Isso
permite ainda entender que, se o produto dessas grandezas é igual a uma
constante, podemos correlacioná-las a dois momentos distintos, de forma que:
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P1 é a pressão inicial do gás; V1 é o volume inicial do gás; P2 é a pressão final
do gás; V2 é o volume final do gás.
A pressão de um gás ocorre quando as suas moléculas, por estarem em
movimento constante e desordenado, chocam-se com as paredes do recipiente,
causando o aparecimento de uma força F, que age contra as paredes. Portanto, se
diminuirmos o volume V, a frequência de choques aumenta e a pressão também
aumenta. Por considerar que a temperatura nessa equação é constante, chamamos
o processo de transformação isotérmica.
A representação gráfica da pressão em função do volume é uma hipérbole
equilátera chamada isoterma.
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Traçando uma correlação com o motor, quando houver o movimento
ascendente do pistão, teremos redução de volume e aumento de pressão. Quando
há deslocamento descendente do pistão, haverá aumento do volume e redução da
pressão. Isso fará com que haja mais energia no momento da explosão da mistura
de ar e combustível, o que melhorará o desempenho do motor.
TEMA 2 – LEI DE CHARLES
O matemático francês Jacques Charles fez, no ano de 1787, um experimento
em que colocou diferentes gases dentro de cinco balões.
Conforme foi aumentando a temperatura dos gases, constatou que o volume
dos gases dentro dos balões aumentou; porém, os diferentes gases, mesmo
aquecidos, apresentaram volumes de expansão muito próximos. Com isso, Charles
verificou a existência de uma relação de proporcionalidade entre o volume e a
temperatura dos gases.
Assim, a Lei de Charles se tornou uma das leis que regem os gases perfeitos.
Seu enunciado é: “em pressão constante, o volume de uma determinada massa de
gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta”.
A Lei de Charles se aplica a condições de pressão constante, também
chamadas de transformações isobáricas. Sabendo dessa condição, e sabendo que a
variação entre volume e temperatura é proporcional, podemos reescrever a
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fórmula, adicionando a igualdade em duas condições (ou momentos) distintas, pois
uma grandeza trabalha junto com a outra.
Temos, por consequência:
V1 é o volume inicial do gás; T1 é a temperatura inicial do gás; V2 é o volume
final do gás; T2 é a temperatura final do gás.
A representação gráfica da transformação isobárica, no gráfico de volume e
temperatura, é uma reta.
Com isso, presumiu-se que todos os gases apresentariam o mesmo coeficiente
de dilatação volumétrica.
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2.1 TEMPERATURA ABSOLUTA
Outra condição importante é a escala de temperatura absoluta. Quando
falamos de escala de temperatura absoluta, estamos nos referindo à escala de
temperatura Kelvin.
A escala de temperatura absoluta é utilizada pelo Sistema Internacional para
temperaturas e para equações, principalmente termodinâmicas, para não interferir
na condição de movimento das moléculas. Por isso, deve partir de um ponto em
que se presume não haver movimento molecular nem de átomos.
A escala Kelvin (símbolo representado pela letra K) foi o nome dado à escala de
temperatura absoluta, como forma de homenagear o Barão Kelvin, como era
chamado o físicoirlandês William Thonson, que escreveu sobre a escala
termométrica absoluta no artigo intitulado “On an Absolute Thermometric Scale”.
Nesse artigo, ele menciona um momento em que a temperatura seria tão baixa que
resultaria em um ponto nulo na escala. Dessa forma, o zero absoluto, que seria o
ponto nulo da escala, seria um momento em que, teoricamente, haveria ausência
completa de calor, o que, na essência, representa completa cessação da energia de
um átomo, significando inclusive a parada de movimento dos elétrons.
Lord Kelvin calculou e definiu, ainda no mesmo artigo, que o ponto de zero
absoluto seria uma temperatura de aproximadamente -273 °C. Neste momento,
definiu-se o 0 K.
Atualmente, o Sistema Internacional de Unidades convencionou, aprimorou e
atribuiu que o Kelvin é a fração de  k da temperatura termodinâmica do ponto
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tríplice da água.
Relembrando, o ponto tríplice da água é o ponto em que há a coexistência de
seus três estados físicos (sólido, líquido e gasoso), que ocorre na temperatura de
0,01 °C e uma pressão barométrica de 611 Pascal. Assim, a temperatura de zero
absoluto 0 k é igual à -273,15 °C.V T = constante {\displaystyle {\frac {V}{T}}=
{\mbox{constante}}}
TEMA 3 – LEI DE GAY-LUSSAC
O cientista francês Joseph Louis Gay-Lussac estudou e formulou leis que tratam
das propriedades dos gases. Gay-Lussac fez vários estudos, nos quais manteve
constante a variação do volume.
Dessa forma, ele criou uma transformação isocórica (volume constante),
relacionando as grandezas pressão e temperatura. Com essa inter-relação,
conseguiu realizar o enunciado da Lei de Gay-Lussac, que define: “Para uma certa
massa constante de gás, sendo seu volume constante, sua pressão é diretamente
proporcional à sua temperatura”.
Considerando uma transformação isocórica, a pressão do gás aumenta à
medida que a temperatura aumenta, uma vez que há aumento de colisões entre
moléculas.
Assim, a equação de Gay-Lussac é:
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P1 é a pressão inicial do gás; T1 é a temperatura inicial do gás; P2 é a pressão
final do gás; T2 é a temperatura final do gás.
A relação entre as grandezas e suas variações foi baseada exatamente nos
estudos feitos previamente pelo matemático francês Jacques Charles, através da
“Lei de Charles”.
Da mesma forma que a temperatura é utilizada em Kelvin (temperatura
absoluta) na Lei de Charles, na Lei de Gay-Lussac a temperatura deve ser inserida
em Kelvin. Assim, não interferimos no resultado da equação.
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TEMA 4 – EQUAÇÃO DE CLAPEYRON E EQUAÇÃO DOS
GASES PERFEITOS
As três leis anteriores mostram o comportamento de um gás perfeito em
relação às grandezas pressão, volume e temperatura, variando duas grandezas, mas
sempre mantendo uma constante. Foi possível também entender a condição de
uma transformação isotérmica, isobárica e isocórica, de onde percebemos que
volume e temperatura, e pressão e temperatura, são diretamente proporcionais
(quando uma grandeza aumenta a outra também aumenta), e que volume e
pressão são inversamente proporcionais (quando uma grandeza aumenta a outra
diminui).
Evidentemente, essas condições se aplicam ao gás perfeito. Também
verificamos boa parte dessas situações no momento de funcionamento do motor, e
daí a importância de entender tais equações e a sua aplicação.
O fato é que, no caso do motor de combustão interna com pistões, essas três
leis ocorrem simultaneamente, com o objetivo de aumentar a explosão da mistura
de ar e combustível. Quando mais pressurizado e quente for a mistura de
combustível e ar, maior será a explosão e, por consequência, maior será a eficiência
do motor.
Infelizmente, não podemos ter uma pressão infinita no motor ou uma
temperatura infinita, pois os materiais que conhecemos atualmente não suportam
tais condições de trabalho. E mesmo que houvesse materiais que suportassem
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cargas em condições operacionais de temperatura extrema, o custo de fabricação
seria extremamente alto, impedindo sua aplicação.
4.1 EQUAÇÃO DE CLAPEYRON
A equação de Clapeyron pode ser entendida como uma síntese das Leis de
Gay-Lussac, Boyle-Mariotte e Charles.
Benoit Paul Emile Clapeyron, físico francês, estabeleceu uma relação entre as
grandezas pressão, temperatura e volume, com base nas fórmulas anteriores, mas
também considerou que a massa do gás influencia diretamente o seu
comportamento. Eis a equação:
P é a pressão do gás; V é o volume do gás; n é o número de mols da molécula;
R é a constante universal dos gases e T é a temperatura do gás.
Essa inter-relação tornou-se fundamental para a equação dos gases perfeitos.
A constante universal dos gases perfeitos, R, assume um valor constante, que é
de . Pela unidade, é possível fazer a inter-relação entre pressão, volume,
temperatura; destaque também para o número de mols de uma substância.
O número de mols de um gás foi estudado por Lorenzo Romano Amedeo Carlo
Avogadro, mais conhecido como Amedeo Avogadro, físico italiano, que estudou a
quantidade de matéria em gases com diferentes temperaturas. A partir de seus
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estudos, criou a hipótese de que, considerando pressão e temperatura constantes e
volumes iguais, diferentes gases apresentam o mesmo número de moléculas.
Esta hipótese se tornou a Lei de Avogadro, ou número de Avogadro, segundo a
qual o volume molar de qualquer gás é de 22,4 litros. Além disso, há 6,022 x 1023
moléculas por mol de substância. Essa condição é constante.
Por conta dessa condição, duas incógnitas da equação de Clapeyron tornam-se
constantes. Portanto, é possível reescrever a fórmula, de forma que teremos:
Aqui, k substitui n e R, que são constantes, sendo n = 6,022 x 1023 mol e R =
.
Isolando as incógnitas constantes, teremos:
Ou seja, o produto da pressão pelo volume, dividido pela temperatura, é uma
constante.
4.2 EQUAÇÃO DOS GASES PERFEITOS
A maioria dos gases, mesmo não sendo gases perfeitos da tabela periódica, em
condições de igual temperatura e pressão, comportam-se como um gás perfeito,
ideal.
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Isso significa que é possível interpretar as ocorrências de fenômenos
relacionados aos gases perfeitos dentro de um motor, logicamente com pequenas
diferenças, mas que se aplicam fundamentalmente.
Portanto, é possível utilizar a equação dos gases perfeitos igualando dois
momentos distintos de ocorrência do gás, para que possamos entender os
fenômenos que ocorrem com os gases, para que o motor funcione de forma
coerente.
Assim, utilizamos a equação de Clapeyron; porém, devido ao fato de que
temos a constante k na fórmula, conforme vimos anteriormente, podemos
reescrevê-la, substituindo a constante por uma nova condição das grandezas
pressão, volume e temperatura, em um segundo momento.
A fórmula fica assim:
Ou seja, o produto da pressão pelo volume dividido pela temperatura, no
instante 1, será igual ao produto da pressão pelo volume dividido pela temperatura
no instante 2.
Isso nos permite entender alguns fenômenos da termodinâmica,
principalmente fenômenos que ocorrem no motor, quando de seu funcionamento,
compreendendo as pressões dentro do motor e o que o fará gerar trabalho
efetivamente.
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 Como exemplo da importância dos gases perfeitos, em motores com injeção
direta do tipo Otto (veremos este modelo termodinâmico no próximo tema), não há
necessidade de utilizar partida a frio, porqueo aquecimento da mistura de ar e
combustível acontece através do atraso da centelha de ignição, fazendo com que a
redução de volume por parte do pistão gere uma pressão majorada, o que por sua
vez provoca o aquecimento da mistura de ar e combustível. Afinal, quando a
pressão aumenta, a temperatura também aumenta, facilitando a ignição do motor,
de forma que ele entre em funcionamento facilmente em dias de baixa
temperatura, mesmo com o uso de álcool etílico hidratado combustível (etanol).
Importante ressaltar que todos os gases apresentam quatro condições básicas
que os regem: difusibilidade (capacidade que um gás tem de se espalhar e se
propagar em múltiplas direções); expansibilidade (capacidade que um gás tem de
ocupar em sua totalidade o recipiente em que está inserido); elasticidade
(capacidade que um gás apresenta de retornar à forma original, cessada a carga
sobre ele); e compressibilidade (capacidade que um gás tem de ter seu volume
reduzido). Essas informações são importantes quando tratamos de gases, pois no
momento da compressão da mistura de ar e combustível, esses fenômenos
ocorrem simultaneamente, potencializando também a geração de trabalho.
TEMA 5 – TERMODINÂMICA APLICADA
Conforme já vimos, a pneumática é muito importante nos estudos da
termodinâmica, exatamente por trabalhar os comportamentos dos gases com as
grandezas temperatura, pressão e volume, que definem o estado termodinâmico de
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um gás. Além disso, também estuda fenômenos que ocorrem durante a
modificação de processos químicos e físicos de um determinado elemento,
analisando suas mudanças de comportamento e efetuando medições nas
grandezas mencionadas, considerando o movimento das partículas que compõem
um gás (que é desordenado), e a forma de interação entre elas (que é muito
pequena, apenas durante o momento em que colidem entre si ou com a parede do
invólucro onde estão inseridas; tais colisões acontecem apenas por uma fração de
tempo muito próxima de zero). Portanto, a termodinâmica estuda transferências de
energia em sistemas físicos de escala macroscópica, analisando o movimento da
energia e como essa energia é capaz de criar movimento.
A palavra termodinâmica vem do grego; termo significa calor e dynamis
significa movimento. Além dessas grandezas fundamentais, na termodinâmica são
inseridas outras grandezas e conceitos fundamentais no desenvolvimento do
raciocínio acerca da transferência da energia, conceitos como entropia, calor e
trabalho.
Quando falamos de motores de combustão interna, nos referimos a processos
que envolvem essas modificações de estado físico e de arranjo químico dos
produtos inseridos no motor. Para que isso ocorra, necessitamos, obrigatoriamente,
de combustível, comburente, calor e fonte ignitora, através de arco fotovoltaico ou
do próprio calor – alto estado entrópico.
5.1 HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA
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A história da termodinâmica, se levamos em consideração a pneumática, é bem
antiga. Contudo, a termodinâmica clássica tem início com Otto Von Guericke, que
em 1650 construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, através dos hemisférios
de Magdeburgo. Em seguida, o físico irlandês Robert Boyle, ciente dos
experimentos de Guericke, formula a Lei de Boyle-Mariotte.
Com base nos conceitos de Boyle, Denis Papin, físico francês construiu um
recipiente (vaso de pressão) fechado hermeticamente por uma tampa, que permitia
confinar vapor em altas pressões. Aprimoramentos subsequentes inseriram uma
válvula de alívio no vaso de pressão, evitando que explosões devido à alta pressão.
Papin observou que a válvula de pressão inserida realizava movimentos
constantes, subindo (liberando a pressão) e descendo (confinando a pressão), e
com isso concebeu uma máquina constituída de um pistão e um cilindro, utilizando
vapor como meio de movimento.
Em 1697, o engenheiro inglês Thomas Savery construiu a primeira máquina a
vapor, baseado nas ideias de Papin, muito embora fosse altamente ineficiente.
Interessado no experimento de Savery, o físico francês Nicolas Lonard Sadi
Carnot estudou o experimento e publicou um livro chamado Reflexões sobre a
Potência Motriz do Fogo, em que tratava do comportamento da eficiência do
sistema, levando em consideração calor, pressão, temperatura, energia e volume. O
texto trouxe relações entre energia com grandezas macroscópicas, criando os ciclos
termodinâmicos. Isso marcou o início da termodinâmica como ciência moderna, de
forma que Sadi Carnot é considerado "pai da termodinâmica".
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5.2 ESTADOS E PROCESSOS TERMODINÂMICOS
Na termodinâmica, podemos ter duas condições de ocorrências em um
sistema: um estado termodinâmico de um sistema e processos termodinâmicos em
um sistema.
Termodinamicamente, isto permite entender o estado de equilíbrio
termodinâmico do sistema, o que por sua vez permite entender os processos que
ocorrem no sistema termodinâmico, que podem ser variantes ou invariantes, e/ou
processos cíclicos ou não de um sistema.
No estado de um sistema em equilíbrio termodinâmico, o potencial
termodinâmico é minimizado até chegar próximo de um equilíbrio termodinâmico,
configurando-se como estável com o ambiente em que está inserido.
O processo é geralmente descrito por um diagrama, que identifica os estados
pelo qual esse sistema passa no decorrer do processo. Dizemos que houve um
processo quando duas ou mais propriedades de um sistema variaram. Quando há
mudança entre estados de equilíbrio, também há um processo.
Evidentemente, há fatores que permeiam os processos termodinâmicos, e que
por vezes não são possíveis de serem traduzidos de forma adequada, em relação
aos aspectos físico e matemático, para o correto raciocínio e entendimento do
processo. Isso porque há grande número de fatores interdependentes, de forma
que, quando alteramos um dos fatores, alteramos outros de que dele dependem, e
com isso prejudicamos o estudo do ciclo termodinâmico. Essas dificuldades
inclusive fizeram com que Sadi Carnot optasse sempre por ciclos termodinâmicos
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cíclicos, para que não houvesse grandes limitações nos estudos, em função do
grande número de incógnitas do sistema.
Em nossos estudos, vamos sempre abordar os processos termodinâmicos do
sistema. Quando falamos em processo, estamos falando de processos cíclicos, ou
seja, que apresentam um ciclo bem definido de operação, que pode ser repetido
indefinidamente, muitas vezes, sem alteração do estado final do sistema em que o
processo ocorre.
Nesse processo, haverá mudanças nas variáveis e troca de energia entre o
sistema e com o ambiente. Contudo, tentando limitar o número de variáveis do
sistema, em vários processos termodinâmicos são limitadas algumas variáveis, para
que seja possível desenvolver os cálculos necessários ao sistema. Com isso, criaram-
se processos padronizados, com a manutenção constante de algumas variáveis,
designando nomenclaturas com variáveis constantes:
Processo isobárico: processo termodinâmico em que há pressão constante;
Processo isocórico: processo termodinâmico em que há volume constante
(também chamado isométrico/ isovolumétrico);
Processo isotérmico: processo termodinâmico em que há temperatura
constante;
Processo adiabático: processo termodinâmico que ocorre sem perda ou ganho
de energia como calor;
Processo isentrópico: processo termodinâmico que ocorre com entropia
constante.
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Processo isentálpico: processo termodinâmico que ocorre com entalpia
constante;
Processo isolado: nenhuma matéria ou energia (nem comotrabalho nem na
forma de calor) é transferida para dentro ou para fora do sistema.
5.3 LEIS DA TERMODINÂMICA
As leis foram criadas para ajudar na compreensão do modo como o calor se
transforma em trabalho e vice-versa. Por isso, levam em consideração elementos
fundamentais, como energia. Essa é a ideia de nosso estudo: entender como ocorre
a transformação de energia dentro do motor e quais produtos vão sair desse motor,
juntamente com a energia necessária para movimentar o próprio motor em si,
porém com uma energia excedente adequada ao movimento do veículo.
5.3.1. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
A energia total de um sistema se mantém constante, de forma que não é
perdida ou criada, mas sim transformada. Este é o princípio da conservação de
energia. Sua fórmula é:
 
Q é quantidade de calor,  = trabalho e ΔU = variação de energia interna.
5.3.2. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
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Transferências de calor sempre ocorrem do corpo mais quente para o mais frio,
de forma espontânea, pois a tendência das moléculas é estabilizar a entropia em
um estado de menor energia. Contudo, a situação inversa não é verdadeira, de
forma que os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis.
5.3.3. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Criada após a primeira e segunda lei da termodinâmica, a Lei Zero da
Termodinâmica é necessária para justificar a primeira e a segunda leis, que já
haviam sido criadas. Fala-se do equilíbrio térmico entre corpos, o que permite
entender também o raciocínio sobre a condutibilidade térmica entre corpos, de
acordo com o tipo de material utilizado.
A lei traz: “Se um corpo A está em equilíbrio térmico em contato com um corpo
B e esse corpo A está em equilíbrio térmico em contato com um corpo C, logo B
está em equilíbrio térmico em contato com C.”
Havendo dois corpos com temperaturas distintas e colocados em contato entre
si, o corpo que estiver mais quente irá transferir calor para aquele que estiver mais
frio, até o momento em que as temperaturas se igualem, quando chegamos ao
equilíbrio térmico.
5.3.4. TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Foi criada com o objetivo de estabelecer uma referência à entropia, que é o
estado de agitação molecular de um sistema. É considerada por alguns físicos como
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regra, e não lei.
Ela traz que, quando um sistema se encontra em equilíbrio termodinâmico,
próximo do zero absoluto, sua entropia se aproximaria também do zero absoluto.
Contudo, na prática esse princípio não se tornou uma lei devido, por conta de
estudos que mostram que alguns elementos cessariam sua energia abaixo do zero
absoluto; portanto, essa condição é uma regra, e não uma lei, por não se aplicar a
todos os elementos da tabela periódica.
5.4 CICLOS TERMODINÂMICOS
Após abordar as características que permeiam os sistemas termodinâmicos,
pertinentes ao nosso estudo de motores endotérmicos, falaremos agora dos ciclos
termodinâmicos existentes nos motores, para compreender mais profundamente as
características que permeiam a confecção dos motores, estudo que veremos na
sequência.
Os ciclos termodinâmicos são responsáveis por definir o comportamento
termodinâmico do combustível e como ele será processado no motor. Ou seja, traz
as características físicas que ocorrem na transformação de  energia química em
térmica. Partindo da energia térmica, podemos mensurar a energia mecânica
disponível no motor, de modo a calcular torque, potência, consumo e emissões.
Veremos as diferenças entre os ciclos termodinâmicos dos motores
endotérmicos Otto e Diesel (caracterizado por mudanças no ciclo no momento da
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geração da combustão), e como essa diferença muda a aplicação dos motores, para
operações distintas.
5.4.1 CICLO OTTO
Após abordar as características que permeiam os sistemas termodinâmicos,
pertinentes ao nosso estudo de motores endotérmicos, falaremos agora dos ciclos
termodinâmicos existentes nos motores, para compreender da melhor forma as
características que permeiam a confecção dos motores.
O ciclo termodinâmico Otto, atribuído ao engenheiro Nickolaus August Otto, é
um ciclo termodinâmico que foi desenvolvido por volta de 1876, baseado no ciclo
termodinâmico do engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas, que idealizou um
ciclo termodinâmico fechado. Baseado nos princípios de Sadi Carnot, trata-se de i,
ciclo com duas transformações isocóricas e duas transformações adiabáticas.
Otto fez a aplicação desse modelo de transformação juntamente com a
composição de um sistema físico mecânico que permitisse gerar a característica do
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gráfico.
  Para que houvesse a transformação isocórica, necessariamente deveria ser
inserida uma fonte ignitora, que aumentasse bruscamente a pressão no sistema.
Para garantir a transformação adiabática, seriam necessários elementos que se
movimentassem de forma rápida, em trechos relativamente pequenos, além de
redução do volume do sistema, com base na Lei de Boyle-Mariotte.
Desta forma, temos:
De 1 para 2: processo de compressão, adiabático.
De 2 para 3: processo de ignição em que há adição (aumento) de entropia e
calor, isocórico.
De 3 para 4: processo de expansão, com aumento de volume e queda de
pressão, adiabático.
De 4 para 1: processo de escape, rejeição de calor, com queda de pressão,
isocórico.
Dessa forma, Otto concebeu um sistema mecânico, que chamamos de motor,
composto de 4 etapas, para que se realizasse o ciclo termodinâmico projetado por
du Rochas. Nesse sistema, conseguiu inserir elementos que permitiam o aumento
brusco da pressão, através da alimentação de combustível juntamente com o ar.
Após a compressão da mistura de combustível com o ar, inseriu um sistema de
ignição, que deflagrava uma faísca (arco fotovoltáico), que realizaria a explosão da
mistura de ar e combustível, transformando-os em gases queimados (produtos da
combustão), que se expandiriam e movimentariam um êmbolo móvel,
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transformando energia química em energia térmica, que por sua vez é transformada
em energia mecânica.
5.4.2 CICLO DIESEL
O ciclo termodinâmico Diesel, atribuído ao engenheiro Rudolph Diesel, é muito
próximo do ciclo de Du Rochas. A diferença é que, neste ciclo, também fechado,
temos duas transformações adiabáticas: uma transformação isocórica e uma
transformação isobárica.
Diferentemente do ciclo Otto, no ciclo Diesel temos a combustão da mistura de
ar e combustível no momento da injeção do combustível. Ou seja, a temperatura do
ar servirá de fonte ignitora para o sistema. Como não é possível fazer a reação
química de redução de todo o combustível em um único momento, temos uma
condição isobárica, ou seja, durante a combustão a pressão do sistema se mantém
estável até o término da combustão. Da mesma forma que no ciclo Otto, para haver
a transformação adiabática, são necessários elementos que se movimentem
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rapidamente, em trechos relativamente pequenos. Também é preciso que haja
redução do volume do sistema, com base na Lei de Boyle-Mariotte.
Portanto, temos:
De 1 para 2: processo de compressão, adiabático.
De 2 para 3: processo de ignição onde há adição (aumento) de massa
(combustível), entropia e calor, isobárico.
De 3 para 4: processo de expansão, com aumento de volume e queda de
pressão, adiabático.
De 4 para 1: processo de escape, rejeição de calor, com queda de pressão,
isocórico.
Diesel concebeu um sistema mecânico, que patenteou em 1897, também
composto de quatroetapas. Diferentemente de Otto, Diesel optou por fazer com
que o combustível se autoinflamasse quando fosse misturado com o ar. Como
consequência, não haveria a possibilidade de o combustível ser previamente
admitido com o ar. O fato de não ser possível a combustão instantânea de todo o
combustível com o ar permitiu a modificação do ciclo termodinâmico, de forma que
temos um sistema que mantém a pressão dentro de si. Esta é a grande diferença
entre os ciclos termodinâmicos. Tal condição gera uma combustão, porém de
velocidade menor quando comparada ao motor de ciclo Otto. Da mesma forma
que no motor ciclo Otto, a combustão da mistura de ar e combustível transformará
a mistura em gases queimados (produtos da combustão), que se expandirão e
movimentarão um êmbolo móvel, transformando energia química em energia
térmica, que por sua vez é transformada em energia mecânica.
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FINALIZANDO
Entender o que são os processos e os estados termodinâmicos permite
compreender as condições operacionais do motor, e como esses processos
influenciam nas ações de emissão de um motor.
Transformamos energia química em energia térmica, e na sequência a energia
térmica da expansão molecular dos gases é transformada em energia mecânica.
Durante essas transformações, há outras situações químicas e físicas, que
complementarão as características dos ciclos termodinâmicos, de forma a gerar
trabalho, que poderá ser aproveitado para gerar movimento.
Evidentemente, a cada novo ciclo termodinâmico real, há pequenas diferenças
entre eles, em virtude da grande quantidade de incógnitas do sistema. Há
principalmente modificações físicas, como a temperatura do ar de admissão, a
umidade relativa do ar e a qualidade do combustível (principalmente quando se
trata de diesel e gasolina).
Compreender os processos termodinâmicos e as leis que os regem é
fundamental para entender o princípio de funcionamento dos motores de
combustão interna, suas características de operação e seus impactos ambientais.
Através dos ciclos, podemos compreender outros aspectos físicos, como torque,
potência e o próprio consumo de combustível de um motor, elucidando a razão de
buscar sempre a melhoria contínua da eficiência do sistema.
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