A locomotiva foi uma das mais importantes máquinas térmicas, pois
além de ser utilizada para o transporte de cargas, possibilitou viagens de longo percurso.
Uma das primeiras "Marias-Fumaça", como ficaram conhecidas, foi construida na Inglaterra
por Trevithick. Elas poderiam chegar a uma velocidade de 8km/h.
Com o passar do tempo as locomotivas foram sendo aperfeiçoadas e em 1924 os seus motores a vapor, de combustão externa, foram subtituidos por motor diesel de combustão interna e o número de vagões aumentou, passaram então, a serem chamadas de "trem".
Os automóveis foram criados pelo alemão Karl Benz e hoje seus motores, assim como
os de caminhões ou ônibus são máquinas
térmicas que produzem o movimento através da queima do combustível no seu interior,
por isso são chamadas de motor de combustão interna.
Os motores a álcool ou gasolina são constituídos por um pistão, ligado a uma biela que está ligada ao virabrequim e uma câmara de combustão que possui duas válvulas, um cilindro e uma vela de ignição. Veja a figura ao lado.
Os motores a diesel não possuem vela de ignição e sim uma bomba injetora
de óleo.
Atualmente, os automóveis podem ter motores com quatro a oito
cilindros e os carros de corrida podem ter até doze cilindros. A foto mostra um conjunto
de pistão e cilindro.
Esses motores trabalham numa seqüência de quatro movimentos do pistão no cilindro, o que completa um ciclo. Esse ciclo de funcionamento foi aplicado por Nikolaus Otto e por isso também são chamados de "motor de 4 tempos" ou "motor Otto".
Vejamos cada etapa do seu funcionamento, ou seja, cada tempo, que recebe
o nome correspondente ao principal processo que ocorre.
O pistão desce enquanto aspira uma mistura gasosa de ar e combustível
que pode ser gasolina, gás ou álcool, que entra no cilindro através da válvula de admissão (os
motores a diesel admitem apenas ar).
Durante esse tempo a válvula de escape permanece fechada para que a mistura não saia. A pressão
máxima atingida é menor que 1 atmosfera, mantendo-se constante (processo isobárico) e a temperatura fica entre 340 e 400K.
A válvula de admissão se fecha enquanto o pistão se move para cima, devido a
inércia do virabrequim, comprimindo a mistura gasosa. Nesse tempo, além do aumento de pressão que fica entre
8 e 15 atm, há um
aumento de temperatura que fica entre 600 e 750K, porém é um processo adiabático, pois não há transferência de calor nem
para fora nem para dentro da mistura.
Quando ocorre a máxima compressão uma centelha elétrica na vela de ignição provoca
uma explosão que causa um aumento de temperatura, de 2300 a 2700K, nos gases resultantes e um aumento de pressão
que fica entre 30 e 50 atm, no interior do cilindro, resultando na expansão da mistura gasosa. Também é um processo
adiabático.
No final da expansão a temperatura fica na faixa de 900 a 1100 K e a pressão fica na faixa de 4 a 6 atm. Abre-se então
a válvula de escape e praticamente sem variar o volume, o gás que se encontra no interior do cilindro escapa para a atmosfera, reduzindo-se a pressão a 1 atm.
A seguir, ainda com a válvula aberta, o pistão sobe, retomando o volume mínimo, expulsando quase todo o gás restante para a atmosfera.
Assim se completou o ciclo, pois o volume e a pressão no interior do cilindro voltaram aos seus valores no início do 1o tempo. Então, a válvula de admissão novamente se abre, reiniciando-se um novo ciclo.
CLIQUE na figura e veja em detalhes os componentes e uma simulação do funcionamento do motor de 4 tempos.
Há conservação de energia nesses motores?
Sim! No quarto tempo a mistura gasosa é eliminada pelo escapamento com temperatura maior do que antes da explosão, logo parte do calor de combustão é transformada em energia interna dos gases, além da troca de calor que ocorre entre a carcaça do motor e o ambiente. Portanto, a parte restante do calor de combustão é devida a energia de movimento do pistão, ou seja, realização de trabalho.
Então, os motores de combustão interna também obedecem a Primeira Lei da termodinâmica.
Onde ocorre a realização de trabalho nos motores Otto?
No motor de combustão interna o trabalho (T) é realizado apenas no 3o tempo, quando os gases empurram o pistão para baixo. Nos demais tempos o
pistão se movimenta devido a inércia do sistema ligado ao virabrequim.
E obedecem a Segunda Lei da termodinâmica?
Com certeza. Uma parte da energia do combustível é utilizada na realização de trabalho e a outra parte é transferida
ao meio ambiente, em cada ciclo, sendo necessário, a cada reinício, uma nova dose de combustível, ou seja, energia.
E qual é o rendimento de um motor?
O cálculo de rendimento para esses motores incluem as capacidades térmicas, pressão, volume, taxa de compressão, entre outros parâmetros.
Para motores Otto, o rendimento real situa-se entre 22 a 30%, enquanto para os motores Diesel situa-se na faixa dos 30 a 38%.
Sendo que as
perdas térmicas ocorrem devida à energia interna dos gases que escapam a altas temperaturas, durante a explosão e a troca de calor entre o motor e o meio ambiente
pelo sistema de refrigeração, além das perdas mecânicas devido ao atrito das peças.
No motor onde se localizam a fonte quente e a fonte fria?
A fonte quente é constituída pelos gases resultantes da explosão e a fonte fria é o próprio meio ambiente.
Os motores das motocicletas são iguais aos motores de automóveis?
São muito semelhantes. Porém nas motos o motor é de 2 tempos, pois ocorre apenas dois movimentos do pistão. Mas também ocorrem a admissão, a compressão, a expansão e a exaustão.
Esses motores, em geral, não possuem válvulas e sim duas
janelas laterais (de admissão e de escape) que são abertas e fechadas pelo próprio pistão. A cada movimento do pistão, há uma explosão e os gases resultantes são expelidos pela janela de escape.
Vejamos um experimento que envolve o princípio do motor a explosão: DEMONSTRAÇÃO.
Vejamos outras máquinas térmicas: