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Física
As máquinas a combustão interna do tipo Otto e Diesel, inventadas no final do sé-
culo XIX, são compostas de, no mínimo, um cilindro, contendo um êmbolo móvel (pistão)
e diversas peças móveis e representam a maioria dos motores dos veículos atuais.
A figura 1 apresenta os quatro tempos de uma máquina térmica do tipo Otto. O
ciclo ideal que mais se aproxima do que efetivamente ocorre em máquinas do tipo Otto
ou Diesel é o ciclo composto Otto-Diesel, representado na figura 2, por meio de um diagrama pressão versus volume. No diagrama da figura 2, as linhas curvas representam
transformações adiabáticas.
Figura 1
Figura 2
Silveira, F. L. Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e Diesel.
Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/~lang/maqterm.pdf>. Acesso em: 11 fev. 2014. (adaptados).
A)
Dentre as transformações mostradas na figura 2, quais são isovolumétricas e quais
são isobáricas?
B)
Descreva e explique o que ocorre com a temperatura da mistura gasosa dentro do
cilindro da máquina durante a expansão e-f, mostrada no diagrama da figura 2.
C)
Durante o ciclo termodinâmico apresentado na figura 2, energia é acrescida ao
sistema para o funcionamento da máquina (motor a explosão). Explique a origem
desse acréscimo de energia ao sistema e a forma pela qual esse acréscimo ocorre,
relacionando-o com o ciclo da figura 1 e o diagrama da figura 2.
Resolução:
A)
Dentre as transformações mostradas na figura 2, são isovolumétricas as transformações c-d e f-b e são isobáricas as transformações a-b, d-e e b-a.
B)
A temperatura do gás diminui.
Como a expansão e-f é adiabática a quantidade de calor (Q) trocada pelo sistema
com o meio externo é igual à zero. Então da Primeira Lei da Termodinâmica, temos:
Qef = τ
ef
+ ∆Uef
sendo:
Q : Quantidade de calor
τ : Trabalho realizado
∆U : Variação de Energia Interna
Assim, para a quantidade de calor trocada igual à zero:
0ef = τ
ef
+ ∆Uef
τef = – ∆Uef
Como tivemos uma expansão, o trabalho realizado será positivo e por consequência a variação de energia interna (∆U ) será negativa. Sabe-se que a variação
ef
de energia interna depende diretamente da variação de temperatura (∆T) e dessa
forma, ambas serão negativas. Finalmente temos que, essa variação de temperatura será negativa como consequência da diminuição da temperatura da mistura
gasosa dentro do cilindro.
C)
O acréscimo de energia ao sistema tem origem na centelha produzida pela vela
de ignição que dá início ao processo de combustão da mistura gasosa. Isso ocorre
no 3º Tempo da figura 1 e corresponde ao trecho c-d da figura 2.
Esse acréscimo de energia ocorre de tal forma que, durante o aquecimento isovolumétrico, a quantidade de calor (Q) liberada na combustão produz aumento de
energia interna da mistura gasosa, ou seja:
Qcd = τ
cd
+ ∆Ucd
Como a transformação é isovolumétrica não haverá trabalho realizado (τ =0) e o calor
cd
liberado na combustão resultará em aumento de energia interna do sistema.
Qcd = ∆U
cd