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FCTM - Termodinâmica – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori Capítulo 9 – Gases I deais, Ciclos termodinâmicos 49

4) Gases Perfeitos.4.1 – Gás Perfeito. Definição.4.2 – Equações de Estado de um gás.

Para um gás real, no limite que a pressão tendea zero, a equação de estado toma a forma:

T RnV P e 0

P

U

Um gás é denominado de gás perfeito, quando suas propriedades, ainda que não correspondam a nenhumgás real existente, sejam aproximadamente as de umgás real a baixas pressões.

Transformações Gasosas.

Processos isobáricos, Isocóricos eIsotérmicos.

Os processos podem ser classificados por:

Processo Var iável deestado

Constante

Variação Lei

Isotérmico Temperatura T=0T constante

PV=K Boyle-

Mariotte Isocórico Volume V=0

V constante P = k T Lei de

Gay Lussac

Isobárico Pressão P=0 P Constante

V = k T(Charles)

Lei de Charles:A Lei de Charles diz que, a condições de

pressão constante, há uma relação direta entre o volumee temperatura absoluta para um gás ideal:

k T

V

T

V kT V

2

2

1

1

Lei de Gay-Lussac:A pressão que um gás exerce nas paredes de

seu recipiente é determinada pelo impulso dos átomos emoléculas do gás que em troca é determinado pelatemperatura. Com o aumento de temperatura faz comque os átomos e moléculas movam-se mais

rapidamente, e assim causa uma maior pressão nas paredes. Se as paredes são rígidas, tais que o volume dorecipiente é mantido constante, então a relação entre

pressão P e temperatura T é determinada através dessaLei.

k T

P

T

P kT P

2

2

1

1

Lei de Boyle-Mariotte:

A temperatura constante para um gás, arelação de estado é:

k V P V P k PV 2211

Gases Ideais

Um gás ideal é definido como um no qual todas as colisõesentre átomos ou moléculas são perfeitamente elásticas eem qual não há nenhuma força atrativa intermolecular.

Pode-se visualizar isto como uma coleção de esferas perfeitamente duras que colidem, mas que caso contrárionão interagem entre si. Em tal gás, toda a energia internaestá na forma de energia cinética e qualquer mudança emenergia interna é acompanhada por uma mudança emtemperatura. Um gás perfeito ou ideal é um modeloidealizado para o comportamento de um gás. Um gás

perfeito obedece às seguintes leis: lei de Boyle-Mariotte

lei de Charles lei de Gay-Lussac

Um gás ideal pode ser caracterizado através de trêsvar iáveis de estado : pressão absoluta (P), volume (V), e

temperatura absoluta (T). A relação entre eles pode serdeduzida de teoria cinética, que mostraremos a seguir, e pode ser chamada:

P V N k T Sendo N o número de moléculas:

A N nN e

Constante dos gases ideais:molK

J R 3145.8

n: número de molesk : constante de Boltzman:

A N

Rk ;

K J k 231038066.1

N A: Número de Avogadro: 23100221.6 A N T RnV P

A lei de gás ideal pode ser vista como surgindo da pressão cinética de moléculas de gás que colidem com as paredes de um recipiente conforme as leis de Newton. Mastambém há um elemento estatístico na determinação daenergia cinética comum dessas moléculas. A temperatura élevada para ser proporcional à média da energia cinética;isto invoca a idéia de temperatura cinética.

A teoria cinética de gases é o estudo docomportamento microscópico de moléculas e as interaçõesque conduzem a relações macroscópicas como a lei do gás

ideal.O estudo das moléculas de um gás é um bomexemplo de uma situação física onde métodos estatísticosdão resultados precisos para manifestações macroscópicasde fenômenos microscópicos. Por exemplo, a pressão,volume e cálculos de temperatura da lei de gás ideal sãomuito precisos. A energia comum associada com omovimento molecular tem seu fundamento na distribuiçãode Boltzmann, uma função de distribuição estatística.Ainda podem ser medidas a temperatura e energia de umgás justamente.

Nesse modelo presume-se que:1. As moléculas se movem randomicamente com

uma distribuição de velocidade a qual não muda.2. As moléculas obedecem às equações demovimento de Newton.

3. As moléculas sofrem colisões elásticas entreelas e as paredes do recipiente que as contém, porém nãoexercem forças uma com as outras.




4. O número de moléculas é muito grandequando comparado com a dimensão delas.

Só para os graus translacionais de liberdade podem ser mostrados na distribuição de Boltzmann.

Exemplo 1 - Qual volume ocupado por um

mol de gás perfeito:

Solução: n R T

P V n R T V P

1 0.082 27322.4

1V l

Exemplo 2 - Calcule: (a) o número de moles n e (b) o número de moléculas N em 1 cm3 de certo gás a0°C e 1 atm de pressão.

Solução:

(a) 3 31 10V cm l 31 10

0.082 273

P V P V n R T n

R T

54.46 10n mol (b)

A N n N

5 234.46 10 6.02 10 N 192.68 10 N moléculas

Exemplo 3 - Uma certa massa de gás tem ovolume de 2 L a 30°C na pressão de 1 atm. Se o volumedo gás for reduzido para 1.5L e aquecido a 60°C, qualsua nova pressão?

Solução:

1 1 2 2 2 12 1

1 2 1 2

P V P V T V P P

T T T V

1 1.47 P atm

Exemplo 4 - Quantos moles de gás estão naamostra mencionada neste exemplo?

Solução:

Exemplo 5 - A massa molecular do hidrogênioé 1.008 g/mol. Qual a massa de um átomo dehidrogênio?

Solução:

24

23

1.0081.67 10

6.022 10

g

átomo

A

M m

N

Teoria cinética dos gases

A descrição do comportamento de um gás emtermos das variáveis macroscópicas de estado P, V e T

pode ser feita através de médias simples de grandezasmicroscópicas como a massa e a velocidade das moléculas.

A teoria resultante é a teoria cinética dos gases. No modelo da teoria cinética, um gás é constituído por um grande número de moléculas que colidemelasticamente umas com as outras e com as paredes dovaso que contém o gás. Na ausência de forças externas (nadescrição é possível, na maioria dos casos, deixar de levarem conta a gravidade), não há uma posição privilegiada norecipietnte nem uma direção privilegiada para a orientaçãodos vetores velocidade. Em média, as moléculas estãoafastadas uma das outras e as distâncias entre elas sãograndes diante dos respectivos diâmetros. Por isso, asforças entre as moléculas são desprezíveis, exceto nosinstantes das colisões. (Esta última hipótese admite, como

é claro, que a densidade do gás seja bastante pequena, oque corresponde, como vimos na seção anterior, a admitirque o gás seja ideal. Uma vez que há conservação demomento, as colisões das moléculas umas com as outrasnão influenciam o momento total em qualquer direção, porisso podemos ignorar, em muitos casos, essas colisões.)

Cálculo da Pressão Exercida pelo Gás

A pressão que um gás exerce sobre as paredes dovaso que o contém é fruto das colisões entre as moléculasdo gás e as paredes. Esta pressão é uma força por unidadede área e, pela segunda lei de Newton, é a taxa temporal de

variação do momento das moléculas colidentes com a parede.

Seja um recipiente paralelepipédico, de volume V ,com N moléculas, cada qual com a massa m e a velocidadev. Calculemos a força exercida pelas moléculas sobre a

parede da direita, perpendicular ao eixo dos x, com a área A. O número de moléculas que atingem a parede no inter-valo de tempo t é igual ao número de moléculas que estão àdistância v x t da parede, como mostra a figura 1, emovendo-se para a direita. Este número é igual ao produtodo número de moléculas por unidade de volume N/V pelovolume v x t A e por 1/2, pois somente metade dasmoléculas, em média, está se deslocando para a direita.

Então, o número de colisões das moléculas com a parede,no intervalo de tempo t , é

2

xv tA N

V

A componente x do momento da molécula é +mv x, antes dacolisão e -mv x, depois da colisão elástica com a parede. Avariação de momento é, então, +2mv x. A variação total domomento provocada por todas as colisões das moléculasque colidem com a parede nesse intervalo de tempo serádada por:

22

x

x

v tA N Q mv

V

A força da parede sobre as moléculas e a força dasmoléculas sobre a parede são iguais à variação domomento pela variação do tempo:




22

x

x

v AQ N F mv

t V

A pressão, que é a força por unidade de área,será dada por:

2 212

2 x x

F P Nmv N mv

A

Foi colocado o valor médio da velocidade parase levar em conta que nem todas as moléculas norecipiente tem a mesma velocidade.

Interpretação molecular da temperatura

Comparando as expressões acima com aequação obtida experimentalmente:

P V N k T Chegamos a:

21 1

2 2 x

mv kT

Como: 2 2 2

x y z v v v e 2 2 2 2

x y z v v v v

Pode-se escrever a energia cinética média deuma molécula como:

21 3

2 2 K mv kT

Fi gura 1 - Esquema para o cálculo da pressãodas moléculas com velocidade v e massa m em umrecipiente de volume V .

A temperatura absoluta é, então, uma medida daenergia cinética média de translação das moléculas. Aenergia cinética de translação de n moles do gás, contendo

N moléculas é dada por:

21 3 3

2 2 2 K N mv NkT nRT

Podemos estimar a ordem de grandeza dasvelocidades das moléculas do gás: O valor médio davelocidade é dada por:

2 33 3 A

A

N kT kT RT v

m N m M

Aqui, M é a massa molar do gás:

A M mN

Definimoes como a velocidade média quadráticacomo:

2

mqv v

3 3mq mq

kT RT v v

m M

Exemplo 6 - A massa do oxigênio gasoso (O2) écerca de 32 g/mol e a do hidrogênio gasoso (H2) é cerca de2g/mol. Calcular:

(a) A velocidade média quadrática das moléculasde oxigênio quando a temperatura for de 300 K.

(b) A velocidade média quadrática das moléculasde hidrogênio quando a temperatura for de 300 K.

Solução:

(a)2 3

3 3(8.31)(300)

32 10Omq

RT v

M

2

483O

mmq s

v

(b)2 3

3 3(8.31)(300)

2 10 H mq

RT v

M

2

1.93O

kmmq s

v

Teorema da Equipartição

Cada componente da posição e do momento(incluindo as posições angulares e dos momentosangulares) que aparece na forma quadrática na expressão

da energia de um sistema, é um grau de li berdade .Exemplos típicos são os graus de liberdade

associados às energias de rotação, de vibração e detranslação e à energia potencial de vibração. O Teorema daequipartição afirma que:

―Quando uma substânci a está em equi líbr io, a

ener gia média de 1

2 kT por molécula ou 1

2 RT por mol

está associada a cada gr au de li berdade da molécula ‖.

Percurso livre médio

A velocidade média de um gás em pressõesnormais é de diversas centenas de metros por segundo. Noentanto, se uma pessoa, num canto de uma sala, abrir umfrasco de perfume volátil, não se percebe instantaneamenteo aroma em todos os pontos da sala. Na realidade, se não




Calor – Q

Calor é uma forma de energia que é transferidade um corpo (sistema) para outro corpo (sistema ou

ambientes). A transferência de Calor pode acontecerquando há uma diferença de temperatura. Assuma doiscorpos com temperaturas diferentes colocados emcontato. O calor transfere do corpo mais quente ao maisfrio. Isto continuará até a temperatura dos corpos é omesmo (equilíbrio térmico). A unidade de SI de calor é

joule (J). Outras unidades são:1 cal (calorie)= 4.1868 J

1 Btu (British thermal unit)= 1055.05 J thermie= 4.184E6 J ft.lbf= 1.35582 J kJ= 1000 J MJ= 1 106 J

hp.h (horsepower.hour)= 2.6845E6 J ;kWh= 3.6106 J; MWh= 3.6109

A primeira Lei da Termodinâmicarelaciona trabalho, energia interna e calor:

Quando um sistema fechado é alteradoadiabaticamente, o trabalho total associado com amudança de estado é o mesmo para todo possíveis

processos entre os dois determinados estados deequilíbrio.

Uma definição mais sucinta e compreensível poderia ser algo assim: A matéria e a energia podem seralteradas (convertidas), mas não criadas nem destruída.A Primeira Lei ensina que a matéria e a energia não

podem simplesmente aparecer nem desaparecer.dW dU dQ

Implicações da Primeira Lei

A Primeira Lei, embora não formalmentedefinida até o século dezenove, ajudou a tornar aciência possível. A ciência depende da habilidade paraidentificar as relações de causa-efeito. Se a matéria ouenergia pudesse aparecer espontaneamente, os cientistasnunca saberiam se uma determinada observação era

devido a uma causa racional, ou para uma geraçãoespontânea de matéria ou energia que eram causadas.Conclusões científicas estariam em solo movediço. ALei de Causalidade é unida assim de perto com aPrimeira Lei de Termodinâmicas.

A Primeira Lei também exige, se nósaceitamos isto, um de duas possibilidades sobre anatureza do universo. A pessoa é que sempre existiu,forma variável talvez, mas nunca tendo vindo do nada,ou indo para o mesmo. A outra possibilidade é que nãoveio do nada, mas de uma transformação (quer dizer,fora do universo) de um criador que não está sujeito àsleis dentro do universo.

Processos de Estrangulamento:

Muito do progresso em termodinâmicas foi feitono estudo das propriedades de gases. Um das perguntas

cedo era se ou não gases esfriam em expansão. Joule projetou uma experiência para descobrir se ou não gasesesfriam em expansão e nesse caso quanto.

O aparato de Joule consistiu em dois bulbos devidro conectados por uma torneira. Um bolbo estava cheiocom gás em algum p e T. O outro bulbo foi evacuado. Oaparato inteiro foi separado de forma que q = 0. Quer dizer,a experiência seria adiabática.

A torneira foi aberta para permitir o gás para seexpandir no bolbo juntando. Considerando que o gásestava se expandindo contra zero pressão que nenhumtrabalho era acabado, w = 0. Com ambos o q = 0 e w = 0está discutido a experiência similar na seção anterior.

Joule em 1845 experimentou medirT V

U

(este é zero para um gás ideal) para analisar ocomportamento de um gás ideal. A experiência de Joule-Thompson era uma melhoria um envolve a expansão deum gás por uma tomada porosa tal que a entalpia H

permanece constante. Envolvia uma medida do coeficiente

de Joule-ThompsonT P

H

. Advertência que este

derivado é avaliado a H constante. Chegou-se aoresultado:

> 0 O gás esfria na expansão

μJT < 0 O gás aquece na expansão

μJT = 0 Temperatura é constante

Esse processo é utilizado em criogenia pararesfriamento do He para obtê-lo na forma líquida earmazenada em dewars, como vemos na figura abaixo.

Fi gura 8 - Aparelhos utilizados em criogenia




Capacidades Caloríficas de um gás Perfeito.

Calor específico a volume constante:

O calor específico a volume constante édefinido por;

V

V T

U

nc

1

O calor específico a pressão constante é

definido por;

P

P T

U

nc

1

Para um gás ideal, a energia interna é funçãoapenas da temperatura:

dT

dU

ncV

1

Para cada grau de liberdade adiciona-se

nRT 2

1 à energia interna.

Para gases monoatômi cos como, por exemplo,o Hélio (He) e o Argônio (Ar):

RcnRT U v2

3

2

3

R R R Rcc V P 2

5

2

3

O Coeficiente de Poisson é dado por:

3

5

2

3

2

5

R

R

c

c

v

p

z y

x

Para gases diatômicos (como por exemplo, osnitrogênios (N2) ou o oxigênio (O2)) são incluídos doisgraus de liberdade, um de rotação e outro de vibração:

Assim:

RcnRT U nRT nRT U v2

5

2

5

2

2

2

3

R R R Rcc v P 2

7

2

5

O Coeficiente de Poisson será:

5

7

2

52

7

R

R

c

c

v

p

Para gases poli atômicos , como a amônia (NH4) oudióxido de carbono (CO2), as moléculas podem efetuarrotação sobre três eixos perpendiculares; assim:

RcnRT U v 33

R R R Rcc v P 43

O Coeficiente de Poisson será:

3

4

3

4

R

R

c

c

v

p

Fi gura 9 - Determinação dos graus de liberdade paradiferentes moléculas.

z

y

x

Energia interna inclui energia cinética e energia de potencial associadas com o movimento molecular emgeral. Mas a energia potencial é associada com forças deintermolecular que são presumidas para ser zero em umgás ideal com exceção das colisões perfeitamente elásticasentre moléculas. Então a energia interna de um gás ideal éenergia completamente cinética. Enquanto vapor a 100graus Centígrado não é estritamente um gás ideal, odiagrama ilustra o fato que a mudança de fase para a fase

de estado gasosa só a porção cinética da energia interna.Para um gás ideal monoatômi co esta energia interna édeterminada por:




nRT U 2

3

Se a energia rotacional e vibracional éconsiderada, no caso de moléculas de poliatômicas,então:

nRT f

U 2

f : Número de graus de liberdade.

Calor específico de um gás:

O calor específico de um gás é geralmenteexpresso pelo calor específico molar.

V V dQ C dT

0dW dQ dU dW dQ dU

V

V

dU C

dT

Para um gás monoatômico, o calor específico avolume constante é dado por:

V

V T

U

nc

1

Aquecendo o gás à pressão constante:

P P dQ C dT

V dQ dU dW dQ C dT PdV

PV nRT

dPV PdV nRdT

0dP PdV nRdT

P V dQ C dT PdV

P V C dT C dT nRdT

RnC C V P

O calor específico à pressão constante é dado

por:

P

P T

U

nc

1

Para um gás monoatômico:

Rcc V P

Ou:

RnC C V P

Essa relação é demonstrada utilizando a primeira lei da termodinâmica.

Calor Específico Moleclares de GasesTipo de Gás Gás C V (J/(Mol.K))

MonoAtômico He 12,47Ar 12,47

Diatômico

H2 20,42

N2 20,76O2 21,10CO 20,85

PoliatômicoCO2 28,46SO2 31,39H2S 25,95

Capacidade Calorífica dos Sólidos

Observa-se que todos os metais possuemcapacidades caloríficas molares aproximadamente iguais.Medidas experimentais mostram que um grande número desólidos tem capacidade calorífica molar aproximadamenteigual a 3 R:

.3 24,9 J

mol K c R

Essa equação é expressa pela Lei de Dulong-Petit. É possível justificá-la com a aplicação do Teoremada Equipartição da energia ao modelo simples de sólidoindicado na figura 10.

Fi gura 10 - Modelo de sólido cristalino.

Cada átomo pode vibrar nas posições x, y, z emtorno da respectiva posição de equilíbrio. A energia totaldo átomo nesse sólido é:

2 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 x y z ef ef ef

E mv mv mv k x k y k z

Aqui, k ef é a constante de força das molashipotéticas. Pelo Teorema da Equipartição da energia, aenergia interna de um mol do sólido é:

16 32

U RT RT

3V

c R




Trabalho num processo adiabático:

1

ii f f

V

V

V

V

V P V P dV kV dV P W

f

i

f

i

Para um gás ideal :

1

i f T T

nRW

1

f i

P

V

T T W nR

C

C

; f i

V

V P

T T W nRC

C C

f i

V

T T W nRC

nR

V i f W C T T

Exemplos

A panela de pressão. Na panela de pressão os alimentos são

cozidos a temperaturas acima do ponto de ebulição daágua (100 °C) à pressão ambiente, possibilitando

portanto um tempo de cozimento reduzido.Estas panelas - inventadas pelo francês Denis

Papin em 1679 e ppossuem tampas que vedamhermeticamente o seu interior e válvulas para escape devapor que permitem segurança.

Existe uma válvula para controle da pressão euma válvula de segurança que se rompe abaixo da

pressão máxima que a panela suporta.

Pode ser usada como esterilizador, poistemperatura ultrapassa os 100º C.Uma panela em estadonormal, com válvula e borracha da tampa em perfeitoestado, chega A 120°C. Gerando assim umaesterilização muito mais segura. É recomendada para

pessoas que trabalham com instrumentos de manicure e para instrumentos cirúrgicos.

A pressão varia conforme o gráfico a seguir.Veja que o ponto de ebulição da água aumenta, cozendoos alimentos a uma temperature maior que 100°C.

Tipos de Processos – Diagrama P-V .

Compressão adiabática

Processo adiabático




Uma máquina à vapor não cria energia, utilizao vapor para transformar a energia calorífica liberada

pela queima de combustível em movimento de rotaçãoe movimento alternado de vaivém, afim de realizartrabalho. Uma máquina a vapor possui uma fornalha, naqual se queima carvão, óleo, madeira ou algum outro

combustível para produzir energia calorífica. Em umausina atômica um reator funciona como uma fornalha ea desintegração dos átomos geram o calor. Umamáquina à vapor dispõe de uma caldeira. O calor

proveniente da queima de combustível leva a água atransformar-se, e ocupa um espaço muitas vezes maiorque o ocupado pela água.

Cronologia1698 - Newcomen inventa uma máquina para

drenar a água acumulada nas minas de carvão.Patenteada em 1705, foi a primeira máquina movida avapor.

1765 – James Watt aperfeiçoa o modelo de

Newcomen. Seu invento deflagra a revolução industriale serve de base para a mecanização de toda a indústria.Stephenson revoluciona os transportes com a invençãoda locomotiva a vapor.

1785 - Boulton começa a construir asmáquinas projetadas por Watt.

No funcionamento real da máquina a vaporexistem alguns processos que dificultam sua análiseexata, tais como a aceleração e turbulência produzidas

pela diferenças de pressão requerida para fazer com queo vapor flua de uma parte para outra do aparato; oatrito, a condução de calor pelas paredes durante aexpansão do vapor e transferências irreversíveis de

calor devidas a diferenças finitas de temperatura entre afornalha e a caldeira

Fi gura 16 - Diagrama da máquina a vapor.

F igura 17 - Ciclo da máquina a Vapor: Diagrama P-V.

Pode-se aproximar o ciclo da máquina a vapor pelo ciclo de Rankine , que veremos mais adiante.

A figura anterior mostra três isotermas da água emdiagrama PV : uma correspondente à temperatura C docondensador, outra à temperatura B da caldeira e a terceiraà temperatura mais elevada H.

As curvas de saturação do líquido e do vapor, sãoindicadas tracejadas.

No ciclo de Rankine, todos os processos sãosupostos serem bem comportados: dessa maneira sãoeliminadas todas as complicações decorrentes daaceleração, turbulências, atrito e perdas de calor.

Partindo do ponto 1 que representa o estado de 1lb de água líquida saturada à temperatura e pressão docondensador, o ciclo de Rankine compreende os seis

processos seguintes:

1 2: Compressão adiabática da água até a pressão da Caldeira (durante esse processo ocorre apenas

uma variação muito pequena de temperatura).2 3: Aquecimento isobárico de água até o

ponto de ebulição.3 4: Vaporização isotérmica e isobárica da

água até convertê-la em vapor saturado.4 5: Superaquecimento isobárico de vapor

d´água até convertê-lo em vapor superaquecido àtemperatura H.

5 6: Expansão adiabática do vapor dágua atéconvertê-lo em vapor úmido.

6 1: Condensação isotérmica e isobárica dovapor dágua transformando-se em água saturada à

temperatura C.Durante os processos 2 3, 3 4 e 4 5 osistema recebe calor Q H procedente de um reservatório decalor, enquanto que no processo de condensação 6 1, osistema cede calor QC para um reservatório frio àtemperatura C. Esse processo de condensação deve existir

para que o sistema retorne ao seu estado inicia1. Uma vezque durante a condensação do vapor d´água existe semprecalor sendo rejeitado, QC não pode ser igual a zero, e porisso o calor Q H fornecido não pode ser convertidointegralmente em trabalho.

Resumindo, a máquina a vapor do tipocondensação realiza as seguintes operações:

A água é convertida em vapor em uma caldeira eo vapor assim formado é superaquecido acima datemperatura da caldeira (aproximadamente 500°C e 200atm).

O vapor superaquecido é admitido num cilindro eexpande-se contra um pistão. O cilindro é mantido ligado àcaldeira durante a primeira parte do tempo que ocorre a

pressão constante.

A válvula de admissão é fechada e o vapor seexpande adiabaticamente durante o resto do tempo.

O resfriamento adiabático produz condensação de parte do vapor e a mistura de gotículas de água e vapor éforçada a sair do cilindro no seu curso de retorno e

introduzida no condensador, onde o vapor restante écondensado e podendo ser reciclado.

A eficiência térmica dessa máquina é da ordem de35 a 40 %, cerca de 60 a 65% da energia fornecida édesperdiçada.




Motor a ar comprimidoMotor que obtem trabalho à partir da energia

interna de uma gás.

Motor elétr icoParalelo ao motor a explosão, o grande avanço

na indústria deve-se ao motor elétrico. Motor elétrico éuma máquina destinada a transformar energia elétricaem mecânica. É o mais usado de todos os tipos demotores, pois combina as vantagens da utilização deenergia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte,limpeza e simplicidade de comando – com suaconstrução simples, custo reduzido, grandeversatilidade de adaptação às cargas dos mais diversostipos e melhores rendimentos.A tarefa reversa, aquela de converter o movimentomecânico na energia elétrica, é realizada por umgerador ou por um dínamo. Em muitos casos os doisdispositivos diferem somente em sua aplicação e

detalhes menores de construção. Os motores de traçãousados em locomotivas executam frequentementeambas as tarefas se a locomotiva for equipada com osfreios dinâmicos.

Motor a j ato

Motor a jato é qualquer motor que acelera eexpele um jato de fluído a altas velocidades para gerarempuxo de acordo com a 3ª Lei de Newton. O exemplomais típico dessa categória é o motor que impulsionaum foguete.

Motor hibridoé o motor que utiliza hidrogenio como fonte de energia

Motor fotoelectricoÉ um motor que acaba por usar a energia solar. Umveículo movimentado com este motor, o Nuna 2,atingiu os 170 Km/h.

Fi gura 21 -

Fi gura 22 - Tipos de Motores:(a) Radial.

(b) Elétrico.

(c) A jato.

Discutiremos a seguir os motores a explosão.

Combustão ou queima é uma reação químicaexotérmica entre uma substância (o combustível) e um gás(o comburente), usualmente o oxigênio, para liberar calor. Em uma combustão completa, um combustível reage comum comburente, e como resultado se obtém compostosresultantes da união de ambos, além de energia. De umaforma geral:

CxHy + (x+y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_interna


http://pt.wikipedia.org/wiki/G%C3%A1s

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_el%C3%A9trica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A2nica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador

http://pt.wikipedia.org/wiki/D%C3%ADnamo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Locomotiva

http://pt.wikipedia.org/wiki/Frenagem_regenerativa


http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_jato

http://pt.wikipedia.org/wiki/Terceira_lei_de_Newton

http://pt.wikipedia.org/wiki/Foguete

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rea%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%ADmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rea%C3%A7%C3%A3o_exot%C3%A9rmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Subst%C3%A2ncia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Combust%C3%ADvel


http://pt.wikipedia.org/wiki/Comburente

http://pt.wikipedia.org/wiki/Oxig%C3%AAnio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Oxig%C3%AAnio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Comburente


http://pt.wikipedia.org/wiki/Combust%C3%ADvel

http://pt.wikipedia.org/wiki/Subst%C3%A2ncia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rea%C3%A7%C3%A3o_exot%C3%A9rmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rea%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%ADmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Foguete

http://pt.wikipedia.org/wiki/Terceira_lei_de_Newton

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_jato


http://pt.wikipedia.org/wiki/Locomotiva

http://pt.wikipedia.org/wiki/D%C3%ADnamo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A2nica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_el%C3%A9trica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico








Motores de Combustão interna

O motor proporciona energia mecânica paramover o automóvel. Os motores de explosão com

pistões podem ser a gasolina ou diesel.

Os motores a gasolina podem ser de dois ouquatro tempos. Os primeiros são hoje em diautilizados principalmente em motocicletas. No motorde quatro tempos, em cada ciclo se produzem quatro

percursos de pistão de ida e volta (tempos), duranteos quais acontecem a admissão, a compressão, aexplosão e o escape. Ver Motor de combustãointerna.

No carburador, mistura-se ar com gasolina pulverizada. A bomba de gasolina impulsiona ocombustível a partir do depósito até o carburador,onde se pulveriza através de um difusor. O pedal doacelerador controla a quantidade de mistura que passa

para os cilindros, enquanto os diversos dispositivosdo carburador regulam automaticamente a proporçãode gasolina e ar. Na maioria dos veículos maisrecentes, o carburador foi substituído por um sistemade injeção. A mistura de ar e gasolina vaporizada queentra no cilindro a partir do carburador é comprimida

pelo primeiro movimento do pistão para cima. Essaoperação aquece a mistura e tanto a temperaturaquanto a pressão elevadas favorecem a combustão,que se consegue fazendo saltar uma faísca entre osdois eletrodos de uma vela que está dentro da câmarade combustão.

Nos automóveis de hoje, usam-se cada vez

mais sistemas de ignição eletrônica. Até pouco tempoatrás, no entanto, o sistema mais usado era o de

platinado.Os motores a diesel seguem o mesmo ciclo

de quatro tempos do motor a gasolina, porém comnotáveis diferenças. Nestes, como não há velas, acombustão acontece por injeção no cilindro docombustível, onde se inflama ao ter contato com o arquente sob alta pressão. Não possuem carburador; oacelerador regula a quantidade de óleo diesel que a

bomba de injeção envia aos cilindros. Além disso,esses motores são mais eficientes e consomem menoscombustível do que os movidos a gasolina.

O escape dos gases de combustão de ambosos motores realiza-se através do tubo de escape (ouescapamento), equipado com silencioso para diminuiros ruídos da combustão. Nos últimos anos foiintroduzido o catalisador. Os motores precisam serlubrificados para diminuir o atrito ou desgaste entreas peças móveis. O óleo, situado no cárter, ou tampainferior do motor, salpica diretamente as peças, ou éimpulsionado por uma bomba em diferentes pontos.Além disso, os motores também precisam derefrigeração. Se não fossem resfriados, esquentariamtanto que os pistões ficariam bloqueados.

O equipamento elétrico do automóvel

compreende — além do sistema de injeção, no casodos motores a gasolina — a bateria, o alternador, omotor de arranque, o sistema de luzes e outrossistemas auxiliares, como limpador de pára-brisas ouar condicionado, além dos cabos correspondentes. A

bateria armazena energia para alimentar os diferentessistemas elétricos. Quando o motor está em marcha, oalternador, movido pelo virabrequim, mantém o nível decarga da bateria.

Componentes do Automóvel:

Automóvel é qualquer veículo mecânicoautopropulsado desenhado para uso em estradas. A

palavra é usada em sentido mais restrito para referir -se aum veículo desse tipo, com quatro rodas e idealizado

para transportar menos de oito pessoas. Os veículos paraum maior número de passageiros são chamados deônibus, e os utilizados no transporte de mercadorias sãoos caminhões. O termo veículo automotor engloba todosos anteriores, assim como certos veículos especializadosde uso industrial e militar. Os componentes principais deum automóvel são o motor, a transmissão, a suspensão, adireção e os freios. Esses elementos complementam o

chassis, sobre o qual é montada a carroceria.

Fi gura 23 - Componentes de um automóvel.

TRANSMISSÃOA potência dos cilindros transmite-se, em

primeiro lugar, ao volante do motor e posteriormente àembreagem — que une o motor com os elementos detransmissão — , de onde a potência se transfere à caixade câmbio. Todos os automóveis possuem algum tipo de

embreagem. Os dois sistemas principais são aembreagem de fricção e a hidráulica. Os motoresdesenvolvem sua máxima potência a um númerodeterminado de rotações. Se o virabrequim estivesseunido diretamente às rodas, só poderia circular de formaeficiente a uma velocidade determinada. Para resolveresse problema, utiliza-se a troca de marchas, um sistemaque modifica as relações de velocidade e potência entreo motor e as rodas motrizes. Uma caixa de câmbioconvencional proporciona quatro ou cinco marchas parafrente e uma marcha a ré. É formada essencialmente pordois eixos dotados de engrenagens dentadas, algumasfixas e outras deslocáveis, de diferentes tamanhos.Quando o automóvel faz uma curva, as rodas situadas nolado interior percorrem uma trajetória mais curta do queas do lado oposto. No caso das rodas motrizes, se ambasestiverem unidas à transmissão diretamente, dariam omesmo número de voltas e a roda externa patinaria. Para




Processo / Estado(PiViTi)

W U Q

i aadmissão i sobárica quase- estáti ca àP 0 de n moles dear àT 0

P 0V 0

a b

Compressão Adiabáti caT a < T b

( )V a bC T T ( )V b aC T T

0

b caumento da temperatu ra epressão i socórico quaseestático de n moles de ar,produzido pela absorção decalor Q H

0 ( )V c bC T T

Q H

( )V c bC T T

Q H

c dexpansão adiabáti ca

quase estáti ca de n molesde ar, envolvendo umaqueda de temperatur a de T c a T d

( )V c d

C T T

( )V d c

C T T 0

d a

queda da temperatu ra epressão i socórica quase

estáti ca de n moles de ar deT d a T a

0( )

V a d C T T

QC ( )

V a d C T T

QC

a iExaustão isobárica quaseestática à pressãoatmosférica. Temperat ur aconstante T 0

-P 0V 0 0 -P 0V 0

W U Q f

i

V

V

PdV W

Adiabáticas: 1

22

1

11

V T V T ;1

14

1

23

V T V T

23

3

2

T T C dT C Q V

T

T V H

Calor absorvido e cedido:

23

3

2

T T C dT C Q V

T

T V H

Rendimento:

H

C

Q

Q 1

H v c bQ C T T ; C v a d Q C T T

1 d a

c b

T T T T

Como: 1 1

a a b bT V T V ; 1 1

c b d aT V T V

Por subtração:

1

1 1 d a b

d a a c b b

c b a

T T V T T V T T V

T T V

A razão r = V a /V b é chamada de razão decompressão. Assim:

1

11

r

Num motor a gasolina, r não pode exceder de10, porque, se for maior, a elevação da temperaturadepois da compressão de uma mistura de gasolina e arserá suficiente para causar uma explosão antes de

produzir-se a centelha elétrica. Isto é chamado de pré- ignição .

Para o ar: 5.1 , e sendo r = 9 teremos

=67%As perdas acarretarão eficiência menor. A

eficiência pode aumentar aumentando-se o valor de r .Contudo isso pode fazer aumentar a temperatura no

processo adiabático da compressão da mistura ar-

combustível. Quando a temperatura é muito elevada, amistura pode explodir espontaneamente após acompressão, em vez de explodir quando a centelha da vela

produz a ignição. Esse fenômeno chama-se pré-ignição oudetonação, ela produz uma pancada com um som forte e

pode danificar o motor. A taxa de octanagem da gasolinamede suas qualidades antidetonantes. A razão decompressão prática máxima para a octanagem elevada, ougasolina premium, é aproximadamente igual a 10.

O Ciclo Otto é um modelo altamente idealizado.Ele supõe que a mistura se comporte como um gás ideal;despreza o atrito, a turbulência, a perda de calor para as

paredes do cilindro e muitos outros efeitos que secombinam para se produzir a eficiência da máquina real.Outra fonte de ineficiência é a combustão incompleta. Umamistura de ar e gasolina com a composição adequada parauma combustão completa convertendo hidrocarbonetos emH2O e CO2 não sofre ignição imediata. Uma combustãoimediata necessita de uma mistura mais ―rica‖ em gasolina.A combustão incompleta resultante produz na exaustão COe hidrocarbonetos que não ―queimam‖. O calor obtido dagasolina é então menor que o calor total da combustão; adiferença é desperdiçada e os produtos da exaustãocontribuem para a poluição. As eficiências dos motores agasolina reais são tipicamente da ordem de 35%.

Fi gura 34 - Funcionamento do ciclo e motor deautomóvel.




A gasolina

A gasolina é um combustível constituído basicamente por hidrocarbonetos e, em menor

quantidade, por produtos oxigenados. Esseshidrocarbonetos são, em geral, mais "leves" do queaqueles que compõem o óleo diesel, pois são formados

por moléculas de menor cadeia carbônica (normalmentede 4 a 12 átomos de carbono). Além doshidrocarbonetos e dos oxigenados, a gasolina contémcompostos de enxofre, compostos de nitrogênio ecompostos metálicos, todos eles em baixasconcentrações. A faixa de destilação da gasolinaautomotiva varia de 30 a 220°C.

Composição

A gasolina básica (sem oxigenados) possuiuma composição complexa. A sua formulação podedemandar a utilização de diversas correntes nobresoriundas do processamento do petróleo como nafta leve(produto obtido a partir da destilação direta do

petróleo), nafta craqueada que é obtida a partir daquebra de moléculas de hidrocarbonetos mais pesados(gasóleos), nafta reformada (obtida de um processo queaumenta a quantidade de substâncias aromáticas), naftaalquilada (de um processo que produz iso-parafinas dealta octanagem a partir de iso-butanos e olefinas), etc.

Quanto maior a octanagem (número demoléculas com octanos) da gasolina melhor será sua

qualidade.

A tabela abaixo mostra os principais constituintesda gasolina, bem como de suas propriedades e processos deobtenção.

Constituintes Processo de Obtenção Faixa deebulição(°C)

ndice

deOctanoMotor(Clear)

Butanodestilação e processos

de transformação- 101

Isopentanodestilação, processos de

transformação,isomerização

27 75

Alcoilada alcoilação 40 - 150 90 - 100

Nafta leve dedestilação

destilação 30 - 120 50 - 65

Nafta pesada dedestilação

destilação 90 - 220 40 - 50

Hidrocraqueada hidrocraqueamento 40 - 220 80 - 85

Craqueadacataliticamente

craqueamento catalítico 40 - 220 78 - 80

Polímera polimerização de

olefinas60 - 220 80 - 100

Craqueadatermicamente

coqueamento retardo 30 - 150 70 - 76

Reformada reforma catalítica 40 - 220 80 - 85

ProduçãoA Petrobras, empresa petrolífera brasileira, produz

diversos tipos de gasolina utilizando tecnologia própria,fabricando as diversas frações de petróleo constituintes dagasolina e misturando-as entre si e com os aditivos, atravésde formulações convenientemente definidas para atenderaos requisitos de qualidade do produto.

O grande crescimento da produção de gasolina,motivado pelo desenvolvimento da indústriaautomobilística, foi possível não só através do refino, mastambém de processos de transformação de frações pesadas,que fazem aumentar o rendimento total do produto emrelação ao petróleo.[editar]

Gasolina Adi tivada

A "gasolina aditivada", disponível em alguns postos de combustível, nada mais é do que a gasolinacomum mas com alguns aditivos que permitem umdesempenho um pouco melhor ao carro, já que elesmantêm limpo o sistema por onde a gasolina passa,diminuindo a corrosão e consequentemente diminuindo aemissão de poluentes.[editar]

Referências

Fonte: Petrobras Distribuidora -http://www.br.com.br

http://pt.wikipedia.org/wiki/Hidrocarboneto

http://pt.wikipedia.org/wiki/Diesel

http://pt.wikipedia.org/wiki/Enxofre

http://pt.wikipedia.org/wiki/Nitrog%C3%AAnio

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Met%C3%A1l&action=edit

http://pt.wikipedia.org/wiki/Destila%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Nafta

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Gas%C3%B3leos&action=edit

http://pt.wikipedia.org/wiki/Parafina

http://pt.wikipedia.org/wiki/Octanagem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Butano

http://pt.wikipedia.org/wiki/Olefina


http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Isopentano&action=edit

http://pt.wikipedia.org/wiki/Petrobras

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Gasolina&action=edit&section=3


http://www.br.com.br/

http://www.br.com.br/



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a b c d P V V

P P c b

T T T T C C C

C C T T

1 11 a b c d

c b

T T T T

T T

11 1 a b c d

c b

T T T T

T T

11

c b a b c d

c b

T T T T T T

T T

11

d a

c b

T T

T T

Expansão adiabática:1

1 1 1 1c d d d c c E d E c

d c

T V T V T V r T r T T V

Compressão adiabática:

1

1 1 1 1a ba a b b C a C b

b a

T V T V T V r T r T

T V

1

1

c

b c c c a C c C E

bb c b b E b E

ca

V

V V T V V r T r r

V T T T V r T r

r V

1 111 E c C b

c b

r T r T

T T

1 1

11

1

c E C

b

c

b

T r r

T

T

T

1 1

11

1

C E C

E

C

E

r r r

r

r

r

11

C C E

E E C

C E

E

r r r

r r r

r r

r

1 1

11

C

E C

C E

E

r r r

r r

r

1 1

11 E C

C E

C E

r r

r r

r r

;

1 11

11 1 E C

E C

r r

r r

1 111

1 1

E C

E C

r r

r r

Na prática, a razão de compressão de um motordiesel pode ser feita muito maior do que a de um motor agasolina, porque não existe o perigo de pré-ignição, umavez que somente o ar é comprimido. Se tomarmos r C=15;r E = 5 e = 1.5 obtém-se = 64%. Os rendimentos dosmotores diesel são menores, pois a turbulência, perda decalor para as paredes do cilindro podem danificar o

processo.Fi gura 35 - Diagramas P versus V do ciclo.

ProcessoEstado

(PiViTi)

W U Q

a bcompressãoadiabática

C V (T a-T b) C V (T b-T a) 0

b cisobárica ( )

c bnR T T C V (T c-T b)

Q H

C P (T c-T b)

c dexpansãoadiabática

C V (T c-T d ) C V (T d -T c) 0

d aisocórica 0 ( )

V a d C T T

QC

( )V a d

C T T

a ...a A 0 A

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