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Plano de Aula

Por dentro das cilindradas

Planeta Sustentável

Objetivos
Relacionar os princípios da Termodinâmica ao funcionamento dos motores de combustão interna

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Reportagem da Veja:

Introdução
Carro, que adolescente não sonha ter um? Esse assunto certamente vai render muita conversa. A reportagem de VEJA fala dos veículos populares, com motor 1.0, e mostra que, além de acessórios dos carros de luxo, esses modelos mais acessíveis ao consumidor vêm recebendo também motores de melhor desempenho, com 16 válvulas. A maioria de seus alunos talvez saiba que os motores 2.0 são superiores aos 1.0 e que os de 16 válvulas funcionam melhor do que os de oito. Mas será que eles sabem o que significam esses números e por que uns são mais eficientes do que outros? A partir deste plano de aula, questões como essas podem se tornar os gatilhos para o estudo dos motores a explosão e a revisão de conceitos de Termodinâmica. Faça a turma embarcar no tema e... boa viagem!

Um cilindro em cada fase
Comece explicando que os motores de combustão são máquinas térmicas, ou seja, dispositivos capazes de transformar energia sob forma de calor em trabalho mecânico. O coração do motor é composto de pistões que podem se movimentar no interior de cilindros, como o êmbolo de uma seringa de injeção. Os motores de veículos de passeio são, em geral, de combustão interna - o combustível queima dentro do cilindro. Diferem dos motores de combustão externa, como os de locomotivas, em que o calor é gerado fora do cilindro. Os motores de combustão interna operam com um ciclo de quatro tempos - também chamado Ciclo Otto - que consiste em admissão da mistura gasosa de combustível e ar no cilindro, compressão, explosão e exaustão dos gases queimados (veja quadro).

A explosão se dá por meio de uma faísca gerada pela vela de ignição. A mistura gasosa se expande e empurra o pistão. É o único tempo motor, isto é, em que o pistão realiza trabalho. Os outros tempos são "mortos", ou passivos. Se houver apenas um cilindro, o motor funcionará aos solavancos. Para evitar isso, os motores possuem no mínimo quatro cilindros, de modo que um deles esteja executando o tempo motor enquanto os outros estão em tempos passivos. O trabalho realizado pelos pistões se transmite através de uma biela a um eixo (manivela), mantendo o motor em atividade enquanto houver combustível.

Máquina ideal
Agora, lembre seus alunos da Primeira Lei da Termodinâmica: "A energia interna de um sitema (no caso, ar e combustível) é igual à energia trocada com o meio (pistão e demais componentes do motor) sob a forma de calor (Q), menos a energia trocada com o meio sob a forma de trabalho ".

Essa lei é representada pela relação:

Da energia gerada pela explosão dos gases no interior do cilindro, apenas uma fração - cerca de 67% - é usada para produzir trabalho. O resto vai para a atmosfera, sob forma de calor, através do radiador e do escapamento. Ou seja, 67% é o rendimento teórico máximo num motor de Ciclo Otto. Porém, na prática, a maioria dos motores a explosão de ciclo Otto a gasolina não chegam nem à metade do rendimento máximo.

Numa máquina térmica ideal, o calor perdido é o menor possível. Seu funcionamento obedece ao Ciclo de Carnot, idealizado pelo físico Sadi Carnot. Esse é o ciclo de máximo rendimento possível para uma máquina térmica que trabalhe com fontes de temperaturas determinadas, T1 e T2. Consiste em quatro etapas em que ocorrem transformações gasosas regidas pela Lei Geral dos Gases Perfeitos (veja gráfico). Isso significa que nessas transformações as principais variáveis de estado do gás são a pressão (P), o volume (V) e a temperatura absoluta (T), que se relacionam pela expressão:
PV/T = constante

Num Ciclo de Carnot, as quantidades de calor recebida (Q1) e perdida (Q2) são proporcionais às respectivas temperaturas absolutas T1 e T2. O rendimento do ciclo, portanto, depende apenas dessas temperaturas e pode ser calculado pela expressão: 



Rendimento aumentado
Pode-se melhorar o rendimento dos motores de quatro tempos alterando-se ligeiramente alguns detalhes técnicos em sua construção. Os motores convencionais de Ciclo Otto têm duas válvulas, uma de exaustão e outra de admissão. O fechamento e a abertura são feitos com grande precisão, por meio de um sistema de balancins e cames. A introdução, em cada cilindro, de mais um par de válvulas e orifícios de admissão e exaustão permite aumentar a eficiência. Cada cilindro passa, assim, a trabalhar com quatro válvulas (16 no total), o que aumenta a velocidade de entrada e saída da mistura gasosa no cilindro. Isso é bastante vantajoso, principalmente quando o motor opera em alta rotação. Num motor funcionando a cerca de 5000 rpm (rotações por minuto), cada cilindro move-se para baixo e para cima cerca de 80 vezes por segundo.

Outro fator que varia com a rotação do motor é a composição da mistura gasosa. Os sistemas de injeção eletrônica, dos carros atuais, são sistemas cada vez mais "inteligentes", que permitem variar a relação da mistura ar/combustível conforme a rotação exigida do motor.

Eficiência máxima

O Ciclo de Carnot é um conjunto teórico de transformações imaginado para máquinas térmicas ideais, que convertem o máximo de calor em trabalho. Mostre aos alunos como se pode representá-lo por meio de um gráfico dos valores das pressões e dos volumes da mistura gasosa no interior do cilindro. As setas indicam as quatro transformações sofridas pela mistura.

 

Trabalho em 4 tempos

Quanto maior o volume interno do cilindro do motor, maior sua capacidade de realizar trabalho. É comum referir-se a esse volume em cilindradas. O volume de um motor 1.0 é 1000 cm3 ou 1000 cilindradas. Em cada um de seus quatro cilindros entram 250 cm3 de mistura gasosa a cada dois giros, que ocorrem em quatro tempos: admissão, compressão, explosão e exaustão.

1. Admissão: A válvula de admissão é aberta, o pistão succiona a mistura gasosa para dentro do cilindro
2. Compressão: A válvula de admissão é fechada e o pistão comprime os gases no interior do cilindro
3. Explosão: A vela de ignição gera uma faísca, a mistura gasosa explode e se expande, empurrando o pistão
4. Exaustão: A válvula de escape é aberta, o pistão empurra os gases queimados para fora e a válvula é fechada

A pressão do vapor

Desde a Antigüidade já se conhece o uso do calor para produzir movimento. Heron de Alexandria, no século I d.C., construiu um "motor a vapor" muito simples. Sua utilidade, no entanto, só apareceu séculos mais tarde, quando surgiram os motores de combustão externa. Os alunos podem observar a produção de movimento pelo calor numa panela de pressão e calcular a pressão no seu interior. Para tanto, devem medir o peso da válvula reguladora e o diâmetro do orifício de escape do vapor. A razão entre o peso e a área corresponde à pressão máxima do vapor. Você também pode reproduzir em laboratório um motor a vapor como o de Heron. Basta ter um frasco suspenso por um barbante (esquema abaixo). Quando aquecida, a água colocada no interior do frasco vaporiza-se e sai em jatos para a atmosfera através dos dois canudinhos. Os dois jatos formam um binário de forças que provocam a rotação do conjunto. 

Consultoria Renato da Silva Oliveira
Professor de Física do Museu Dinâmico de Ciências de Campinas, SP

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