Física do motor a gasolina: ciclo Otto

[Música] [Música] [Música] Olá querido estudante vocês já se perguntou como é que funciona o motor de um automóvel Quais são as peças envolvidas o que que é um pistão um virabrequim uma biela bom neste vídeo vou mostrar para você o que que são esses elementos Mas nós vamos aprofundar nós vamos estudar a física do ciclo termodinâmico o cicloto envolvido em um motor de carro como um carro a gasolina carro a álcool te convido a ficar nesse vídeo até o final para aprender toda a respeito desse assunto vem comigo ao abrir o capô do carro você

vai enxergar o motor exatamente aqui nessa região central haverá outros equipamentos nas proximidades deste motor é que você vai ter o alternador você vai ter a bomba do ar condicionado enfim você vai ter a caixa de marchas mas dali no centro você tem o motor que é uma caixa que atualmente ela vem coberta de plástico nos modelos mais novos de veículos e dentro dessa caixa que fica aqui no interior este bloco que fica aí no interior você vai ter a parte superior do motor que é onde ficam o comando de válvulas as válvulas o cilindros

com os pistões dentro do cilindros as bielas e lá embaixo no motor o virabrequim também conhecido como manivela falei um monte de nomes estranhos mas eu quero te convidar a entender o que cada um desses objetos vai fazer no ciclo A começar por esta parte aqui superior você vai ter aqui em cima o que a gente chama de comando de válvulas elas vão ficar controlando o abaixar e o subir destas válvulaszinhas que são aquelas que vão permitir hora a entrada do combustível com ar hora a saída do produto da explosão da combustão aqui você tem

um motor com quatro cilindros os motores mais novos de pequeno porte motor 1.0 mais novo atualmente no ano de 2018 eles estão vindo com apenas três cilindros mas vamos falar a respeito do motor de quatro cilindros para poder ser o mais comum a esta parte aqui é o que nós chamamos de pistão nós temos quatro pistões aqui um dentro de cada cilindro que pode deslizar para cima e para baixo nós injetamos o combustível aqui nessa parte superior esse combustível ele vai lixeira que toda essa região depois da Explosão ele explode e no que ele explode

ele vai empurrar este pistão e fazer o giro acontecer aqui embaixo no que nós chamamos de virabrequim ou manivela Como assim manivela do jeito que está aqui a gente vê um eixo com vários elementos estranhos esquisitos nós poderíamos simplificar isto fazendo uma manivela mesmo algo deste jeito vem aqui por cima vem aqui por baixo vem aqui por cima e termina então o que que vai acontecer cada um desses dessas bielas né esse objeto aqui que conecta o pistão ao eixo de manivelas é chamado de biela o que que ele vai fazer o movimento de sobe

e desse pistão vai virar um movimento de giro então biela é aquilo que transforma o movimento de sobe e desce o movimento oscilatório e um movimento circulatório como se fosse uma bicicleta né quando você tá numa bicicleta já percebeu que o seu joelhos eles ficam subindo e descendo mas os seus pés em contato com os pedais vai fazer vão fazer movimentos circulares então a manivela vai proporcionar isso a transformação né através da biela a biela vai fazendo esta manivela este virabrequim girar Vou deixar um link de um vídeo que vai mostrar como é na prática

um motor desse tipo e vai mostrar inclusive o movimento dessas peças joinha depois que essa explosão provoca o giro dessas manivelas vertical deste virabrequim isso vai transmitir esse giro vai ser transmitido ao que nós chamamos de caixa de marchas a embreagem é o sistema de transmissão que vai transmitir esse movimento circular para as rodas mas aí é um outro tema para ser discutido mas adiante vamos apagar esse desenho para a gente entender Quais são as transformações termodinâmicas e como elas vão acontecer no diagrama pressão versus volume vem comigo aqui eu representei o motor na no

seu chamado ponto morto superior quando o pistão está na posição mais alta do seu ciclo e a gente tem a chamada válvula de admissão aberta o que esta válvula de admissão vai fazer vai permitir a entrada de combustível e ar que vão ver lá do sistema de injeção eletrônica Então nós vamos ter aqui essa entrada de combustível junto com ar que vai entrando nesta câmara e vai fazendo isso há uma pressão constante que é a pressão atmosférica do local vamos imaginar aqui então que neste diagrama de pressão versus volume o volume do cilindro ali representado

está com seu valor mínimo nesse estado que a gente está representando o volume que a gente vai ter o mais pertinho ali do alto pistão está fechando este cilindro Então a gente vai colocar a pressão que nós estamos dizendo vale uma atmosfera um ATM que seria algo em torno de 10 elevado a 5 newtons por metro quadrado mas o que que está acontecendo está entrando este ar a uma temperatura padrão uma temperatura de 25 graus Celsius 20 graus Celsius dependendo do local do país onde você se encontra também da estação do ano Este é o

ar que vem do meio ambiente que vai entrando no motor e isso vai empurrando este pistão é com a descida do pistão a medida que nós estamos é introduzindo combustível vamos representar a medida que esse pistão foi empurrado para baixo aqui embaixo de verde nós temos aquele eixo de manivelas que acaba também sendo empurrado para baixo mas é um empurrão circular A Gente Está transformando o movimento de vai em linha reta no movimento de vai em minha curva através desses mecanismos né a gente tem alguns parafusos para poder permitir esses eixos de articulação então nós

fizemos o êmbolo de ser aumentando o volume isso tudo a pressão constante a pressão se mantém constante desde aquela abertura da válvula de admissão até esse instante que o nosso pistão atinge o chamado ponto morto inferior que é onde ele vai parar aqui embaixo novamente né ele tava parado lá em cima se movimentou e para aqui de novo nós temos o estado a inicialmente E Agora Nós estamos contemplando um outro estado o estado de tudo aqui há uma atmosfera de pressão e a temperatura ambiente torno dos 20 graus Celsius Como eu havia comentado com você

que que vai vai acontecer agora nesse motor que terminou essa tal dessa fase de admissão que foi de A até B nós vamos fechar esta válvula esta válvula agora será fechada então não vai mais ficar aqui o comando de válvulas Puxa essa válvula que por sua vez passa a ficar fechada e o que que vai acontecer a partir daí este virabrequim este eixo de manivelas verde aqui que já estava girando continua girando e vai começar a comprimir essa mistura aqui de combustível e ar e esta compressão é chamada compressão adiabática na compressão adiabática é realizado

um trabalho sobre o gás né Você lembra que realizar trabalho significa Fazer força e deslocar algo aqui este pistão vai fazer força e vai deslocar o a nossa mistura de vapor de combustível né que foi jogado pulverizado com o ar Então vai haver essa compreensão e vai ver um aquecimento para a temperaturas bem elevadas nesta compressão adiabática após esta compressão a diabética nessa em troca de calor porque foi muito rápida e não tem nenhum trocador de calor aqui então Houve essa compressão adiabática nesta subida aqui agora do nosso pistão que é um êmbolo né Parece

com um erro e tem a mesma função então nesta subida do pistão agora houve um aumento da temperatura da mistura ali em cima temos de tomar cuidado porque esse aumento de temperatura poderia fazer a mistura explodir e nós não queremos isso nós queremos controlar o tempo em que vai acontecer essa explosão e aqui vai entrar um equipamento que eu ainda não comentei nem desenhei esta peça que eu ainda não havia desenhado se chama vela para que que ela serve ela fica conectada a bateria do veículo para soltar uma fagulha uma centelha uma Faísca é igualzinho

ao que acontece no fogão da sua casa você abre a passagem de gás né para o fogão e aperta um botão que faz um instalo um track aquele estalo solta uma centelha uma fagulha que vai fornecer a energia necessária para o início da combustão então é bem aqui que acontecendo a fagulha nós vamos ter o início da combustão esta situação é aquela situação ser ali no gráfico e essa explosão é tão rápida tão intensa por conta de que já tá comprimido já está super aquecido o combustível com a você solta uma fagulha de uma hora

para outra vai acontecer um aumento de pressão e temperatura praticamente instantânea instantâneos fazendo com que a gente Observe aqui no gráfico uma subida abirrupta da pressão e da temperatura fazendo este gás que estava neste estado C chegaram a um outro estado um estado que nós vamos chamar de d de dado dada essa esse aquecimento veja não houve mudança de volume nós estamos com volume mínimo para esta circunstância mas houve um aumento sensível da pressão a pressão que já estava cerca de 25 atmosferas nessa região na hora que ocorre a explosão a pressão sobe e atinge

valores da ordem de sem atmosferas por conta dessa explosão que transformou a energia química e energia relacionada ao combustível aos arranjos das moléculas de combustível e de ar em energia térmica vamos representar o próximo estado que seria o estado de e o que acontece em seguida então o gás que estava há 450 graus Celsius vai para cerca de 2.900 graus Celsius atingindo valores de pressão de mais de 100 atmosferas dependendo da situação do veículo agora que isso aconteceu que aumentou oficialmente da pressão esse pistão ele vai descer como se tivesse levado uma martelada É como

se você tivesse exercido uma força muito intensa Não curto período de tempo você teve um aumento desta força como se houvesse uma martelada um impulso intenso que vai fazer este pistão baixar mas a medida que esse pistão baixa que ele efetua um trabalho numa fase chamada fase de potência de expansão nesta fase você vai ter uma expansão rápida e sem trocas de calor a chamada troca de calor que teria acontecido nesse ciclo foi na verdade a transformação da energia química em energia térmica fazendo a temperatura que estava 450 graus Celsius chegar a 2900 graus Celsius

nós vamos ter depois desta expansão em que ao empurrão do êmbolo uma redução na temperatura porque este gás está realizando trabalho não se esqueça quando o gás foi comprimido o trabalho efetuado sobre o gás Aumentou a temperatura dele já o fez aquecer até 450 a explosão fez aquecer ainda mais até os 2.900 graus Celsius a partir daqui nós estamos observando a expansão sem troca de calor nessa expansão sem troca de calor ele resfria novamente de 2.900 graus Celsius para mil graus celsius e tem uma bela de uma queda na pressão se na hora da Explosão

a pressão estava a sem atmosfera Depois dessa expansão que vai acontecer aí nós vamos ter uma redução na pressão para um valor de 4,5 atmosferas cai bastante agora que que a gente tem de diferente quando eu estava usando a cor vermelha representava o combustível e o ar agora que está verde eu estou usando esta cor para representar o dióxido de carbono e vapor d'água que vão se formar depois da combustão há outros compostos que vão surgir daí dado a quem completa monóxido de carbono por exemplo mas a ideia que aqui já é o produto da

combustão são os gases que a gente precisa jogar fora e para jogar fora nós vamos abrir esta outra válvula se a primeira válvula era chamada válvula de admissão porque se admitia a entrada do combustível e do ar agora está outra válvula a do lado direito que ficou fechada o tempo inteiro é a válvula de escapamento abrindo a válvula de escape a pressão que estava alta que estava 4,5 atmosferas vai cair porque porque eu estou liberando o escape desse produto de combustão Para onde Para a atmosfera a atmosfera é quem vai é receber isso daqui ela

tá um ATM isso quer dizer que abriu a válvula a pressão cai a birruptamente quase que repentinamente instantaneamente para o valor de uma atmosfera para fechar o ciclo esse pistão vai subir terminando de empurrar os gases todos para fora no que ele sobe reduz o volume de novo para um valor mínimo e com isso retornamos ao estado a retornamos aquela situação Onde vamos poder admitir mais uma vez o combustível para que o ciclo recomece Note que nesta transformação o que que aconteceu nosso sistema recebeu a energia térmica teve um grande aumento da sua quantidade de

energia térmica na hora que aconteceu a combustão muitos livros chamam isso de entrada de calor ou entrada de energia através do mecanismo calor Então esta tal desta produção de calor aconteceu devido à explosão a combustão que aconteceu essa combustão fez uma força intensa um impulso intenso como se fosse uma martelada nesse pistão que provocou a descida dele e a realização de trabalho mecânico que vai garantir o giro do motor e por consequência das rodas do carro fazendo com que você possa transitar mas ainda temos uma pergunta como é que funciona um motor térmico deste veja

que na hora que nós abrimos o escapamento sai este vapor a alta temperatura nós podemos dizer que energia térmica está escapando aí alguns carros aproveitam essa energia térmica do escapamento para devolver energia ao motor usando alguma turbina né o processo do Turbo agora por outro lado a gente vai ter inevitavelmente nos motores alguma perda sim e isso é inerente a natureza a natureza não permite a transformação em trabalho mecânico essa história de realizar força e deslocar alguma coisa é de todo o calor que foi recebido de uma determinada fonte quente vamos ver como isso acontece

um motor cíclico como de um automóvel recebe calor de uma fonte quente e transforma parte deste calor em trabalho mecânico Então devolve para o ambiente parte do calor que recebeu na forma de trabalho mecânico Mas nem todo o calor que ele recebe ele consegue transformar em trabalho um grande parte do calor é perdido para o que nós chamamos de fonte fria no caso de um automóvel o que que é a fonte quente é a câmara de combustão é a queima do combustível e o que é a fonte fria a atmosfera então grande parte da energia

térmica produzida nessa combustão acaba sendo Perdida para a atmosfera por esse motivo você chega perto do motor de um veículo e ver que ele está quente ele está altas temperaturas porque está vendo transferência de calor de energia do motor para atmosfera isso não é o ideal seria interessante que energia térmica produzida fosse devolvida para nós aqui na forma de trabalho mas isso não acontece uma um dado interessante é que quanto maior for a chamada taxa de compressão de um ciclo como este que envolve é duas transformações ISO volumétricas a volume constante e envolve duas transformações

adiabáticas o rendimento desse ciclo está diretamente ligado a questão da razão entre o volume menor e o volume maior Como assim quanto maior a taxa de compressão que seria a razão entre o volume máximo e volume mínimo quanto maior essa taxa de compressão Acredite melhor o rendimento de um motor por isso que se tentam colocar taxas de compressão a mais alta possível porque uma taxa de compressão a mais alta possível porque se você comprimir numa taxa muito grande o combustível nesse caso aquele aqueceu até 450 graus Celsius neste exemplo não houve combustão Mas você aquecer

a um valor maior você pode provocar a combustão e nós não queremos que isso aconteça no ciclo de Otto no ciclo de ota a combustão deve acontecer por causa de uma centelha de uma fagulha que quem vai garantir é a tal da vela que vai dar aquele estalinho para começar no instante correto no momento certo o funcionamento do ciclo certa feita caiu na prova do Exame Nacional do Ensino Médio é o seguinte pergunta olhando ele te deu esse gráfico aqui te perguntou em qual desses pontos ocorreu a centelha a fagulha no nosso desenho no ponto

c e era esta a resposta da prova do Exame Nacional do Ensino Médio outra coisa houve uma outra questão em que se perguntou olha muito comum você ter perda de energia no funcionamento de um motor nem toda energia é transformada em trabalho a fuga de energia para a fonte fria Por que que isso acontece porque isso é uma limitação da natureza é a segunda lei da termodinâmica na natureza é impossível em transformações cíclicas converter em trabalho o calor converter integralmente em trabalho o calor recebido de uma fonte quente com isso estimado estudante nós terminamos esse

encontro se você gostou deixa o seu joinha se você quer ver mais vídeos como esse se inscreva no canal se você ativar as notificações clicando no Sininho sempre que um vídeo novo foi lançado você vai ser o primeiro a saber e vai ser um enorme alegria ter você aqui comigo então te aguardem o próximo encontro até lá [Música]