FACULDADE DO NOROESTE DE MINAS - FINOM

CURSO DE FÍSICA

MÁQUINAS TÉRMICAS

EDSON RAIMUNDO DOS SANTOS

PARACATU-MG

2011

EDSON RAIMUNDO DOS SANTOS

MÁQUINAS TÉRMICAS

Trabalho de Conclusão de Curso - TCC apresentado ao curso de Física da Faculdade do Noroeste de Minas – FINOM, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciatura em Física, sob a coordenação do professor MSc. Rilson Pereira.

NOVEMBRO

2011

RESUMO

Palavras – chave:

SUMÁRIO

RESUMO ............................................................................................................. III

SUMÁRIO ........................................................................................................... IV

CAPÍTULO I ........................................................................................................ 1

1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 1

1.2 OBJETIVOS DO ESTUDO …........................................................................ 2

1.2.1 OBJETIVO GERAL ..................................................................................... 2

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................... 2

1.3 JUSTIFICATIVA ............................................................................................. 3

CAPÍTULO II ....................................................................................................... 4

2.1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ….................................................................. 4

2.2.1 BREVE HISTÓRICO DA TERMODINÂMICA ….......................................... 4

2.2.2 TERMODINÂMICA ..................................................................................... 5

2.2.2.1 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA …................................................

2.2.2.2 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA …................................................

2.3 MÁQUINAS TÉRMICAS …............................................................................

2.3.1 TIPOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS ….......................................................

2.3.1.1 TURBINAS A VAPOR …..........................................................................

2.3.1.2 TURBINAS A GÁS …...............................................................................

2.3.1.3 CALDEIRAS …........................................................................................

2.3.1.4 MOTORES ALTERNATIVOS …...............................................................

2.4 CICLOS TERMODINÂMICOS …...................................................................

2.4.1 CICLO DE CARNOT …...............................................................................

2.4.2 CICLO DE RANKINE …..............................................................................

2.4.3 CICLO DE BRAYTON ….............................................................................

2.4.4 CICLO OTTO …..........................................................................................

CAPÍTULO III ......................................................................................................

3.1 METODOLOGIA …........................................................................................

3.1.1 CARACTERIZAÇÃO DA PESQUISA …......................................................

3.2 DELINEAMENTO DA PESQUISA …..............................................................

3.3 CRONOGRAMA …........................................................................................

6

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11

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13

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17

CAPÍTULO IV ......................................................................................................

4.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ..........................................................................

CAPÍTULO V …...................................................................................................

5.1 REFERÊNCIAS ….........................................................................................

CAPÍTULO I

1.1 INTRODUÇÃO

Como afirma Michelena e Mors (2008), ao longo da história, o ser humano

tem buscado diversificadas fontes de energia e formas de realização de trabalho,

porém, só a partir do século XVIII é que se tornou possível controlar o processo de

transformar energia em trabalho, em especial, graças à construção da máquina

térmica (máquina a vapor).

Antes do desenvolvimento dessa tecnologia, as reservas de energia

estavam à mercê das variações atmosféricas. Durante as secas, a baixa dos rios

podia forçar os moinhos a restringir suas atividades ou mesmo a suspendê-las por

completo. Os navios, nas travessias do oceano, atrasavam-se semanas inteiras por

falta de vento. Com a utilização da máquina térmica, este problema poderia ser

minimizado, uma vez que haveria um fornecimento constante de energia, que

poderia ser aproveitada quando necessário.

Desde a Antiguidade a Mecânica e a Física eram estudadas separadamente,

contudo, sempre houve indícios de que deveria existir alguma relação entre elas.

Assim, surgiu a Termodinâmica, cujo objetivo principal estava em estudar a

transformação do calor em energia mecânica. Destaca-se, ainda, que esta é regida

por duas leis fundamentais: a Primeira Lei da Termodinâmica, que trata da variação

da energia interna de um sistema, e a Segunda Lei da Termodinâmica, que trata da

possibilidade ou impossibilidade de se aproveitar certo tipo de energia.

Assim, perceber-se a extrema importância dessa ciência para o

desenvolvimento da sociedade, principalmente, quanto se fala da compreensão dos

fenômenos naturais e, em especial, do desenvolvimento tecnológico das máquinas

térmicas e das suas principais contribuições para a evolução da sociedade. Tal

tecnologia foi considerada essencial para a manutenção e expansão dos primeiros

processos industriais ocorridos na sociedade, uma vez que transformava o calor em

trabalho mecânico, facilitando, assim, o processo produtivo.

De acordo com Amengual e Sáiz (2005), citado por Hornes et al. (2011),

inicialmente, a função dessas máquinas era facilitar o trabalho braçal, trocando

então a força muscular pela força do vapor, como a máquina de Thomas Savery.

Destaca-se, ainda, que as máquinas térmicas funcionam através de processos

cíclicos, onde esta, ao final do mesmo, possuiria uma energia interna nula, tendo em

vista que o estado inicial e final do ciclo é idêntico.

Rezende (2011) destaca que as máquinas térmicas atuam convertendo

energia interna de um combustível em energia mecânica, fazendo com que essa

energia possa gerar movimento necessário para transportar, acionar outros tipos de

máquinas, gerar energia elétrica, dentre outros.

Ainda, pode-se dizer de um modo geral, que uma máquina térmica é toda

máquina que opera entre dois reservatórios térmicos, recebendo calor do

reservatório quente, realizando trabalho e rejeitando o calor excedente para o

reservatório frio. Logo, conclui-se que este sistema utiliza a energia na forma de

calor, com finalidade de provocar a realização de um trabalho mecânico, gerado a

partir da expansão do fluido contendo temperatura e pressão.

Estudos direcionados para o levantamento das características das máquinas

térmicas é uma atividade importante, uma vez que, através das informações obtidas,

podera-se-à verificar as principais transformações e contribuições que estas

acarretaram para a história da humanidade.

1.2 OBJETIVOS DO ESTUDO

1.2.1 OBJETIVO GERAL

Investigar e descobrir como funciona a máquina térmica do

barco Benjamim Guimarães.

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Identificar as leis que regem o funcionamento de uma máquina

térmica.

Descrever o funcionamento de uma máquina térmica de

combustão externa.

1.3 JUSTIFICATIVA

Uma máquina térmica, também conhecida como um motor é um dispositivo

que extrai energia do ambiente na forma de calor e realiza trabalho útil. Para que um

motor realize trabalho de forma intermitente ou interruptamente, a substância de

trabalho passa por uma série fechada de processos termodinâmicos, chamados de

tempos, voltando repetidamente a cada estado neste ciclo (NASCIMENTO, 2008).

A Termodinâmica está presente em nosso cotidiano sem que possamos nos

dar conta disso. Logo, a compreensão do tema em foco – máquinas térmicas – nos

ajuda a entender o funcionamento dessas máquinas. Para Gonçalves et al. (2011),

o estudo das máquinas térmicas torna possível a compreensão da conservação e

degradação da energia e de suas fontes de produção, além de ser uma aplicação

sobre as leis da termodinâmica, bem como dos processos irreversíveis.

Ainda, o estudo da máquina térmica nos permite visualizar o que há de

impressionante nessa tecnologia utilizada pela humanidade e porque somos

dependentes dela atualmente. Ainda, o levantamento de informações possibilita a

abordagem de questões fundamentais para a Física, tais como: funcionamento,

transformações gasosas e o princípio fundamental da conservação da energia.

CAPÍTULO II

2.1. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA

2.1.1. BREVE HISTÓRICO DA TERMODINÂMICA

Das mais variadas transformações de energia, talvez a que mais fascinava

os cientistas em meados do século XIX era a possibilidade de converter calor em

movimento através das máquinas térmicas. A base do funcionamento dessa

tecnologia é simples: quando se aquece um gás, ele expande. Possivelmente, a

primeira máquina térmica que se tem notícia foi uma máquina a vapor desenvolvida

por Herón de Alexandria, por volta do ano 50 d.C (MEDINA e NISENBAUM, 2011).

Conforme afirmam Medina e Nisenbaum,

Herón descobriu que o ar se expandia no aquecimento e poderia ser usado para produzir uma força mecânica e com isto, acionar diversos mecanismos. Os trabalhos de Herón foram perdidos e só por volta de 1600, Giovanni della Porta os recuperou com grande sucesso (mas mediante de ar por vapor). Leonardo da Vinci foi outro que usou vapor de água para produzir movimentos. Vários inventos importantes de da Vinci não foram executados por falta de equipamentos mecânicos capazes de produzir trabalho. Afinal, a capacidade de trabalho de homens ou animais é bastante limitada, lenta e irregular. […] Destacam que por volta do ano de 1700, Thomas Savery produziu, com base nas propriedades do vapor d’água, uma bomba para retirar a água das minas de carvão da Inglaterra, minimizando um dos grandes problemas da época. O equipamento de Savery não era, rigorosamente falando, um motor, pois não possuía partes móveis. Esse mérito teve o equipamento desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705, no qual já se observa a existência de um pistão móvel. Foi um grande sucesso comercial, embora as válvulas devessem ser abertas e fechadas manualmente o tempo todo. (MEDINA e NISENBAUM, 2011, p. 04 - 05).

De acordo com Hornes et al. (2011), para melhorar o rendimento da

máquina a vapor proposta por Newcomen, James Watt propôs uma melhoria no

modelo existente desacoplando o sistema de condensação do vapor do corpo da

máquina. Segundo ele, o conjunto com um motor e um sistema próprio de

refrigeração seria mais econômico.

A busca pelo aperfeiçoamento das máquinas térmicas levou o cientista

francês Sadi Carnot (1796-1832) a desenvolver em 1824 toda uma teoria para

explicar o rendimento, ou seja, o quanto de calor a máquina transformava em

trabalho. Foi um momento histórico. Antes disso, as tentativas de melhorar o

rendimento das máquinas eram na base da tentativa e do erro. O trabalho de Carnot

teve como fundamento o método científico. A partir das suas observações e nas de

outros cientistas, Carnot criou um modelo teórico para as máquinas térmicas e

descobriu qual deveria ser a maneira mais eficiente de transformar calor em

movimento (MEDINA e NISENBAUM, 2011).

Para Burns (2011), é possível perceber que poucas invenções tiveram maior

influência na história dos tempos modernos que a da máquina térmica, em especial,

a vapor. Ao contrário do que geralmente se pensa esta não foi a causa inicial da

Revolução Industrial, mas sim, em parte, efeito desta. O motor de James Watt, pelo

menos, nunca se teria tornado realidade se não fosse a procura de uma fonte

eficiente de energia para mover as pesadas máquinas já inventadas na indústria

têxtil.

Antes do desenvolvimento da máquina a vapor, Burns (2011) destaca que as

reservas de energia estavam à mercê das variações atmosféricas. Durante as

secas, a baixa dos rios podia forçar os moinhos a restringir suas atividades ou

mesmo a suspendê-las por completo. Os navios, nas travessias do oceano,

atrasavam-se semanas inteiras por falta de vento. Com a máquina a vapor haveria

um fornecimento constante de energia, que poderia ser aproveitada quando

necessário. Não é, portanto, exagero afirmar que a invenção de Watt assinalou o

começo da era da força motriz.

2.2.2 TERMODINÂMICA

A Termodinâmica trata das relações da energia nas quais as variações de

energia são importantes. Tem-se que quase tudo o que acontece envolve, de certa

forma, perceptivelmente ou não, transformações de algum tipo de energia em

energias de outros tipos ou, em certos casos, simplesmente transferências de

energia.

Porto (2007) destaca que a Termodinâmica é a parte da Termologia (Física)

que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, calor, energia e entropia, e as

leis que governam os processos de conservação de energia.

2.2.2.1 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A Primeira Lei da Termodinâmica trata do Princípio da Conservação de

Energia a sistemas não-isolados, dessa forma, pode se transferir energia para

dentro ou para fora do sistema, tanto como trabalho quanto como calor. Destaca-se,

ainda, que a energia obtida de uma máquina sob a forma de trabalho mecânico deve

ser igual à diferença entre as energias absorvida e cedida sob a forma de calor

(COLLI, 2009).

Conforme mencionam Van Wylen e Sonntag (2003) com citação de Luiz

(2007), o calor é definido como sendo a forma de transferência de energia através

da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a outro sistema, que apresenta

uma temperatura inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas dos dois

sistemas. Um corpo nunca possui calor, visto que, por definição o calor só pode ser

identificado quando cruza a fronteira do sistema.

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que o trabalho

representa outro tipo de transmissão de energia. A definição mais comum de trabalho é de uma força que age sobre um deslocamento. A atual definição de trabalho usada na termodinâmica foi originalmente definida em 1824 por Sadi Carnot. De acordo com Carnot, trabalho é o efeito útil que um motor é capaz de produzir, que pode ser comparado ao levantamento de um peso a certa altura. O experimento de Joule foi de extrema importância para a construção do enunciado da Primeira Lei da Termodinâmica. Em seu enunciado mais usual diz que a variação da energia do sistema termodinâmico é igual à diferença entre a quantidade de calor adicionada ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema em suas fronteiras (LUIZ, 2007, p. 44).

2.2.2.2 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Segundo Porto (2007), existem dois enunciados clássicos para a Segunda

Lei da Termodinâmica. São eles:

Enunciado de Kelvin-Planck: é impossível construir um

dispositivo que opere segundo um ciclo termodinâmico e que

não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e

troca de calor um único reservatório térmico.

Enunciado de Clausius: é impossível construir um dispositivo

opere segundo um ciclo termodinâmico e que não produza

outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para

um corpo quente.

A segunda Lei da Termodinâmica afirma que para realizar trabalho a partir

do calor extraído de um reservatório quente é preciso ter um reservatório mais frio,

capaz de receber parte da energia térmica que será descarregada (COLLI, 2009).

A Segunda Lei da Termodinâmica afirma o seguinte:

A quantidade de trabalho útil que pode ser obtido a partir da energia está constantemente diminuindo. De acordo com esta Lei, há sempre uma tendência para as áreas quentes se resfriarem e as áreas frias se aquecerem, assim progressivamente menos trabalho poderá ser obtido. Até que finalmente, quando tudo estiver numa mesma temperatura, não se pode mais obter nenhum trabalho disso, mesmo que toda a energia continue ainda existindo ( LUIZ, 2007, p. 45).

Para Medeiros (2003), na conversão de uma forma de energia para outra,

parte dela se perde sob a forma de calor de baixa temperatura, energia que não

pode ser convertida em trabalho mecânico. Logo, dessa forma, sob condições

ideais, uma máquina térmica não pode converter em energia mecânica toda a

energia térmica a ela suprida.

Teixeira Júnior (2011) corrobora com Medeiros (2003) ao afirmar que se

torna impossível converter totalmente a energia térmica em trabalho útil. O mesmo

ainda destaca que é impossível, sem introdução de energia no sistema, que o calor

passe de um corpo frio para um corpo quente e, em todos os processos, naturais ou

tecnológicos, em que há sucessivas transformações da energia, a eficiência é

sempre não crescente.

2.3 MÁQUINAS TÉRMICAS

Uma máquina térmica é um dispositivo capaz de operar ciclicamente a fim

de converter a maior quantidade possível do calor que recebe em trabalho. Assim,

as máquinas térmicas contêm um fluido operante ou substância de trabalho, que

pode ser vapor de água numa máquina a vapor ou a mistura de ar e vapor de

gasolina num motor de combustão interna, por exemplo. Para que um motor realize

trabalho de forma sustentada, este fluido operante deve trabalhar em um ciclo,

passando por uma série fechada de processos termodinâmicos, realizar o trabalho e

ceder uma quantidade de calor, voltando repetidamente ao seu estado inicial,

reiniciando o ciclo. As máquinas a vapor, inventadas no século XVIII para bombear a

água das minas de carvão, foram as primeiras máquinas térmicas (COLLI, 2009).

Referente às máquinas térmicas, podemos destacar o seguinte:

As máquinas térmicas [...] têm como finalidade gerar trabalho mecânico a partir de pelo menos duas fontes de calor em temperaturas diferentes. A cada ciclo de operação, uma quantidade de calor é retirada da fonte quente e parte rejeitada à fonte fria, essa última necessária para se estabelecer o ciclo. A reversão consiste na possibilidade de se usar a mesma quantidade de trabalho anteriormente gerado em uma máquina operando um ciclo revertido, um refrigerador, permitindo assim que o calor rejeitado na fonte fria retorne à fonte quente, criando-se assim uma volta ao estado original do universo ( OLIVEIRA e DECHOUM, 2003, p. 360).

Complementando Oliveira e Dechoum (2003), Rezende (2011) destaca que

as máquinas térmicas são dispositivos criados pelo homem para transformar o calor,

produzido a partir de uma fonte quente, em energia mecânica utilizável, ou seja,

geram trabalho. Essas máquinas utilizam a energia do vapor d’água ou da mistura

gasosa produzida pela combustão de certos materiais combustíveis ou a energia

térmica de outras fontes, gerando um regime contínuo de trabalho mecânico.

Para Mukai e Fernandes (2011), uma máquina térmica é um sistema

termodinâmico que funciona entre dois reservatórios com diferentes temperaturas.

Esse sistema retira calor do reservatório de maior temperatura (Tq), realiza trabalho

e rejeita o restante do calor para o reservatório de menor temperatura (Tf), operando

em ciclos.

As Figuras 1 e 2 a seguir destacam o esquema fundamental de uma

máquina térmica: um reservatório quente fornece calor à máquina, e o calor rejeitado

pelo sistema é recebido por um reservatório frio.

Figura 1: Esquema fundamental de uma máquina térmica.

Fonte: Mukai e Fernandes (2011).

Figura 2: Esquema fundamental de uma máquina térmica.

Fonte: Adaptado de Colli (2009).

2.3.1 TIPOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS

Para Cassiano (2011), as máquinas térmicas se classificam em:

Máquinas alternativas: o trabalho útil resulta do movimento

alternativo de um êmbolo (máquina a vapor, motores alternativos

de combustão interna a gasolina, a gasóleo, etc.).

Máquinas rotativas: a expansão dos gases provoca o movimento

rotativo dos elementos mecânicos (motores rotativos Wankel,

turbinas a vapor, turbinas a gás, etc.).

Motores a jato: o trabalho útil resulta do impulso gerado por um

gás a alta velocidade (motores de foguetes, etc.).

Motores de combustão interna (endotérmicos): são aqueles para

os quais o trabalho é produzido pelo gás resultante da

combustão intermitente e contínua.

Motores de combustão externa: o calor é transmitido ao fluido

ativo por permutadores de calor, que transporta ao interior do

motor.

2.3.1.1 TURBINAS A VAPOR

Silva (2009) destaca que as turbinas a vapor são máquinas de combustão

externa. Os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato

com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de

conversão da energia do combustível em potência de eixo. Por esta maneira,

apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo

usar inclusive aqueles que deixam resíduos sólidos (cinzas) durante a queima.

Com relação ao trabalho mecânico realizado pela máquina, destaca-se o

seguinte:

[…] pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico. Ainda, a energia não utilizada, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, um muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Porém, é possível aproveitar o vapor descarregado pela máquina para fins de aquecimento, aproveitando, assim, suas energias residuais, melhorando, de maneira significativa o rendimento global do ciclo (SILVA, 2009, p. 18).

2.3.1.2 TURBINAS A GÁS

As turbinas a gás são máquinas pertencentes ao grupo de motores de

combustão interna e sua faixa de operação vai desde pequenas potências até

grandes potências. Elas possuem a vantagem de ter pequeno peso e volume além

de ocuparem pouco espaço em relação às outras máquinas térmicas. Devido a

esses fatores e a sua versatilidade, seu uso está em considerável crescimento nos

últimos anos. Ainda, possuem uma vantagem quando comparadas aos motores

alternativos devido a não haver movimentos alternativos, diminuindo, assim, o atrito

entre superfícies sólidas como a que ocorre entre as camisas dos cilindros e pistões

(SILVA, 2009).

Quando comparadas com as turbinas a vapor, estas possuem a vantagem

de não necessitar de fluido refrigerante, facilitando sua instalação. Porém, dentre as

principais desvantagens, observa-se o baixo rendimento e a alta rotação, fatores

desfavoráveis no caso de aplicação industrial (SILVA, 2009).

2.3.1.3 CALDEIRAS

Caldeira é um trocador de calor complexo que produz vapor de água sob

pressões superiores a atmosférica a partir da energia térmica de um combustível e

de um elemento comburente, ar, estando constituído por diversos equipamentos

associados e perfeitamente integrados para permitir a obtenção do maior rendimento

térmico possível (GOULART e BARBERINO, 2003).

Segundo Silva (2009), a caldeira é um aparelho térmico que produz vapor a

partir do aquecimento de um fluido vaporizante. Entre elas temos:

Caldeiras de vapor: são os geradores de vapor mais simples,

queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de

calor.

Caldeiras de recuperação: são os geradores que não utilizam

combustível como fonte geradora de calor, aproveitando o calor

residual de processos industriais (gás de alto forno, de turbinas,

etc.).

Caldeiras de água quente: são aqueles em que o fluido não

vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (como em

calefação e processos químicos).

Geradores reatores nucleares: são aqueles que produzem vapor

utilizando como fonte de calor a energia liberado por

combustíveis nucleares (urânio enriquecido).

2.3.1.4 MOTORES ALTERNATIVOS

Silva (2009) destaca que o motor alternativo é, dentre as máquinas térmicas

conhecidas para a geração de eletricidade, a que melhor converte a energia contida

em combustíveis líquidos e gasosos em potência mecânica. Atualmente, esses

equipamentos apresentam um alto desempenho elétrico, térmico e baixo nível de

emissões utilizando sistemas de controle e geração elétricos totalmente integrados.

2.4 CICLOS TERMODINÂMICOS

Uma máquina térmica executa etapas que se repetem periodicamente, ou

seja, executa uma série de transformações que farão o sistema retornar ao estado

inicial. Dizemos que uma máquina térmica funciona em ciclos. Se o ciclo é formado

apenas por transformações reversíveis, trata-se de um ciclo reversível (MICHILENA

e MORS, 2008).

Porto (2007) considera que o ciclo termodinâmico é quando um sistema,

num estado, passa por vários processos e retorna ao estado inicial.

Ainda, no que se refere ao ciclo termodinâmico, temos que:

Definido o estado de um sistema, quando alguma de suas propriedades sofre alteração levando o sistema a outro estado definido, dizemos que ocorreu um processo. Quando a alteração dessas propriedades ocorre de modo que ao final da sucessão desses processos, o sistema volta ao mesmo estado inicial, chama-se de Ciclo Termodinâmico (LUIZ, 2007, p. 26).

Ainda, de acordo com Luiz (2007, p. 26), temos que:

O ciclo de compressão de vapor em que a bomba de calor opera está fundamentada pela contínua mudança das propriedades físicas do fluido refrigerante, através de um ciclo que se aproxima do ciclo de Rankine invertido, onde o processo de expansão isoentrópica é substituído por um processo de expansão isoentálpico. Essa mudança justifica-se pelo fato de que o processo de expansão ocorre na região de líquido ou de mistura com baixo título, consequentemente baixo volume específico, o que resulta em reduzida quantidade de trabalho obtido (LUIZ, 2007, p. 26).

2.4.1 CICLO DE CARNOT

Independentemente da substância de trabalho, o ciclo de Carnot, como

destaca Porto (2007) e Luiz (2007), tem sempre 4 processos básicos. Este ciclo

consiste em duas transformações isotérmicas intercaladas com duas transformações

adiabáticas, todas elas reversíveis, sendo o ciclo também reversível. São eles:

Um processo isotérmico reversível, no qual o calor é transferido

do reservatório de alta temperatura para o sistema (ou para o

contrário, isto é, como o processo é reversível, poderia estar

sendo transferido calor do sistema para o reservatório de alta

temperatura).

Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura de

fluido de trabalho diminui desde a do reservatório em alta

temperatura até a do outro reservatório.

Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido

para o reservatório de baixa temperatura (ou transferido do

reservatório de baixa temperatura).

Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do

fluido de trabalho aumenta desde a do reservatório de baixa

temperatura até o de alta.

A seguir, a Figura 3 ilustra o funcionamento de um motor segundo o ciclo de

Carnot.

Figura 3: Motor operando conforme o ciclo de Carnot.

Fonte: Porto (2007).

2.4.2 CICLO RANKINE

Com relação ao ciclo Rankine, observa-se que o mesmo

[...] utiliza o calor da queima dos combustíveis para aquecer água em convertê-la em vapor. A energia térmica contida no vapor é transformada em trabalho mecânico através de uma turbina. A queima do combustível e a transferência do calor resultante para a produção de vapor ocorrem normalmente em uma caldeira, que pode ser projetada para a utilização de diversos tipos de combustíveis, tais como: carvão mineral, óleo combustível, óleo diesel, gás natural, bagaço de cana, dentre outros (MEDEIROS, 2003, p. 12).

Segundo Rezende (2011), esse ciclo é basicamente uma adaptação do ciclo

de Carnot. É o mais usado em usinas termelétricas e nucleares. Tem como fluido

operante a água, que passa à fase de vapor quando aquecida em uma caldeira,

gerando, dessa forma, trabalho. Outros líquidos podem ser usados, mas a água é o

mais comum

A Figura 4, a seguir, destaca um diagrama simplificado do ciclo de Rankine,

onde, se observa a água sendo bombeada para uma caldeira (processo 1-2). A

caldeira é o local onde ocorre a queima do combustível e a troca de calor com a

água, que é convertida em vapor (processo 2-3). O vapor, que deixa a caldeira sob

alta pressão e temperatura média de 5600C, aciona a turbina (processo 3-4), que por

sua vez, aciona o gerador de eletricidade. Após passar pela turbina, o vapor é

encaminhado ao condensador, onde troca calor com uma fonte fria (processo 4-1),

retornando ao seu estado líquido para ser bombeado e novamente bombeado e

novamente utilizado no processo. Apesar do ciclo ser fechado, normalmente ocorre

uma adição de água, em pequenas quantidades, para suprir as perdas nos

processos.

Figura 4: Diagrama simplificado do ciclo Rankine.

Fonte: Medeiros (2003).

2.4.3 CICLO BRAYTON

Rezende (2011) destaca que o ciclo Brayton utiliza um gás contendo energia

térmica que se expande em uma turbina gerando trabalho. Este é um exemplo de

ciclo Brayton aberto, cujo conjunto é denominado “turbina a gás”, muito utilizadas em

aviões, na geração elétrica, no acionamento de compressores de processo e na

propulsão de navios. Nesse ciclo, o ar é admitido e ganha pressão em um

compressor e, em seguida, recebe energia pela queima de um combustível em uma

câmara de combustão, expandindo-se em uma turbina que, além de acionar o

compressor, disponibiliza trabalho externo. O gás que sai da turbina é descarregado

na atmosfera. Observe a seguir na Figura 5 o exemplo completo desse esquema.

Figura 5: Esquema do ciclo Brayton.

Fonte: Rezende (2011).

2.4.4 CICLO OTTO

De acordo com Silveira (2011), as máquinas à combustão interna do tipo

Otto, inventadas no final do século XIX, são compostas de no mínimo um cilindro,

contendo um êmbolo móvel (pistão) e diversas peças móveis. A figura 6 é uma

representação esquemática e simplificada das partes principais de uma máquina

Otto.

Figura 6: Partes principais de uma máquina térmica à combustão interna.

Fonte: Silveira (2011).

Destaca-se, ainda, na Figura 7, os quatro tempos de uma máquina térmica

do tipo Otto, onde a principal característica dessa máquina é a de na admissão (1º

tempo) aspirarem uma mistura gasosa de ar e combustível (gasolina, álcool, gás e

outro combustível). Depois que o cilindro está cheio com esta mistura, a válvula de

admissão, que estava aberta durante o 1º tempo, fecha-se; então a mistura de ar e

combustível sofre a compressão (2º tempo). A seguir uma centelha elétrica na vela

de ignição deflagra a explosão e, consequentemente, a expansão (3º tempo) da

mistura gasosa. Finalmente a válvula de escape abre-se, ocorrendo

simultaneamente a descarga da mistura gasosa para a atmosfera e a exaustão do

restante dos gases queimados (4º tempo).

Figura 7: Corte de uma motor do tipo Otto.

Fonte: Silveira (2011).

CAPÍTULO III

3.1 METODOLOGIA

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