1. FÍSICA: Conceitos e Contextos
Física Térmica
Unidade 3: Gases e termodinâmica
Capítulo 10: Primeira Lei de Termodinâmica
Tópico 5: Máquinas Térmicas
Motor de Combustão Interna
Andréa Simone Melo de Carvalho

2. Quando ouvimos a expressão: Máquinas Térmicas pensamos em máquinas a vapor, como os
antigos trens e as caldeiras e, porque não,... as panelas de pressão.
Mas, você sabia que os carros também são máquinas a vapor??
Como assim?
Os carros são motores a combustão, que utilizam álcool, gasolina ou diesel.
E, como foram criados os motores a combustão?
Vejamos um pouco de história...
As máquinas térmicas com motores a explosão foram criadas ao longo do
século XX.
Estes motores a combustão interna atualmente usados nos
carros utilizam-se do Ciclo de Otto.
Agora é importante não confundir motores a combustão externa, como
por exemplo o motor Stirling onde os processos de combustão ocorrem fora
do motor aproveitando o calor dos gases da combustão, através das
transformações gasosas: 1) Compressão isotérmica; 2) Aquecimento
isocórico; 3) Expansão isotérmica e 4) arrefecimento isocórico. Este
aproxima-se do ciclo ideal sugerido por Sadi Carnot. Vejamos a história:

3. Ciclo de Carnot
Foi desenvolvido por pelo engenheiro Sadi Carnot (1796-1832), o seu uso é apenas teórico. O ciclo
Carnot é um ciclo ideal, partindo de transformações de gases perfeitos. Seu funcionamento é
composto por duas transformações adiabáticas e duas isotérmicas alternadamente e isso permite
menor perda de energia (calor) para o meio externo (fonte fria). O rendimento desse ciclo é
aproximadamente 72% o qual alias, nunca atingido por um motor termico. Este ciclo teorico
compõe as seguintes fases:
1-2: compressão isotermica
2-3: compressão adiabatica
3-4: expansão isotermica
4-1: expansão adiabatica
Descrição teórica:
Primeira fase: expansão isotérmica (1-2)
Uma massa gasosa é introduzida no cilindro e depois comprimida
pelo pistão “temperatura constante”, sendo o cilindro esfriado
durante esta fase.
Segunda fase: expansão adiabática (2-3)
Sendo interrompido o resfriamento do cilindro, continua-se a
compressão rapidamente de modo que nenhuma troca de calor
tenha lugar entre o gás e o cilindro.
Figura 01 – Diagrama do ciclo de Carnot
Terceira fase: compressão isotérmica (3-4)
Ao passo que, durante a compressão isotérmica o cilindro deve ser resfriado, durante a expansão
isotérmica, este mesmo cilindro exige aquecimento para tornar a temperatura constante.
Quarta fase: compressão adiabática (4-1)
Continuando o repouso, faz-se cessar o reaquecimento do cilindro para que essa fase se efetue sem
troca de calor com o cilindro e que a massa gasosa retome o volume e a pressão que possuía no
início da primeira fase.
Já o ciclo de Otto é a versão utilizada pelos veículos automotores da atualidade.
Ciclo Otto
O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento
de motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido
por Beau de Rochas em 1862 e implementado com sucesso pelo
engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne
Lenoir e Rudolf Diesel.
Motores baseados no ciclo Otto equipam a maioria dos automóveis
convencionais e usam combustíveis leves como gasolina, álcool, gás
natural.
Figura02 – Representação dos principais componentes

4. Descrição Teórica
O ciclo de Otto ideal se constitui dos seguintes processos:
1) ADMISSÃO isobárica = 0-1, pressão constante;
Válvula de admissão aberta e Válvula de escape fechada.
O pistão se desloca do PMS (ponto morto superior) ao PMI (ponto
morto inferior) admitindo para dentro do cilindro a mistura
combustível/ar.
Figura03 – Diagrama Pressão X Volume
2) COMPRESSÃO adiabática = 1-2, eleva a temperatura dos gases sem provocar a inflamação;
Válvula de admissão fechada e Válvula de escape fechada.
O pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a mistura. Antes de o pistão atingir o PMS,
ocorre a faísca, dando origem à combustão.
3) EXPLOSÃO: Combustão isocórica = 2-3, contribuição de calor provocado pela centelha (vela).
A volume constante. A pressão eleva-se rapidamente;
Válvula de admissão fechada Válvula de escape fechada.
A combustão provoca a expansão dos gases que empurram o pistão, fazendo o se deslocar do PMS
ao PMI.
Expansão adiabática = 3-4, parte do ciclo de transforma em trabalho;
4) EXPULSÃO OU ESPAPE: Válvula de admissão fechada e Válvula de escape aberta.
Abertura de válvula de escape =4-5, cessão do calor residual ao ambiente a volume constante;
Exaustão isobárica = 5-0, esvaziamento da câmara. Baixa brutal de pressão.
O pistão se desloca do PMI ao PMS, empurrando para fora os gases queimados.
Após a expulsão dos gases o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita.
Figura 04 – Demostração do processo
mecânico

5. Agora é com você!
Pesquisa sobre os cientistas e suas teorias relacionadas com o tema:
TERMODINÂMICA. Relacione o cientista ao conceito físico relacionado.
• James Watt – Conservação de Energia (Térmica/Elétrica)
• Nicolas L. Sadi Carnot – Ciclo de Carnot (Máquina Térmica)
• Nicolaus Otto – Ciclo de Otto (Motores à combustão interna)
• Rudolf J. Emanuel Clausius (2ª Lei da Termodinâmica - Entropia)
Pesquise: Sobre os diversos tipos de motores a combustão interna, como: o
diesel , motores de 2 tempos, de 8 ou 16 válvulas...
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABbGcAD/ciclos
http://www.alexfisica.com.br/blank/simuladores.htm

6. GLOSSÁRIO
1ª Lei da Termodinâmica:
Dentro de um sistema gasoso onde envolva trocas de energias, como: Calor (Q), Trabalho
Mecânico (W) e Energia Interna (U), cumpre-se a Primeira Lei da Termodinâmica, que diz: ΔU = Q
–W
2ª Lei da Termodinâmica:
É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio exterior,
consiga transformar integralmente em trabalho o calor absorvido de uma fonte a uma dada
temperatura uniforme.”Kelvin-Planck
Transformação Isobárica: O motor realiza trabalho com o calor fornecido pela combustão, com Pi =
Pf, mas com volume e temperatura variávies.
Transformação Isovolumétrica: Vi = Vf, mas com pressão e temperatura variáveis.
Transformação Isotermica: Ti = Tf , mas com pressão e volume variáveis.
Pi x Vi = Pf x Vf
Transformação Adiabática: ΔQ = 0 Não há troca de calor com o sistema

7. REFERÊNCIAS
SANT'ANNA, BLAIDI; et al. Conexões com a Física. V. 2. 1. ed. - São Paulo: Moderna, 2010.
LEMES, Pablo Henrique Carvalho. Ciclos.Arquivado no curso de Engenharia Mecânica da
PUCPR. Curitiba, 2010. Disponível em:
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAABbGcAD/ciclos>. Acesso em: 06.abr.2012.
GREF – Grupo de Reestruturação do Ensino da Física. Leituras de Física – Física Térmica. V.3
Cap.18. São Paulo. Jun.1998. Disponível em: <http://www.if.usp.br/gref/termodinamica.htm>.
Acesso em 04.abr.2012.

8. APÊNDICE
Plano de aulas
TERMODINÂMICA: Máquinas térmicas a combustão
PLANEJAMENTO
Nesse planejamento sintético devem definir:
Conteúdo
Introdução:
Motor a combustão
Objetivo
Compreender as transformações gasosas envolvidas nas etapas de trabalho do motor a combustão.
Diferenciar o Ciclo de Carnot com o de Otto.
Relacionar os ciclos à sua respectiva aplicação tecnológica.
Compreender o conhecimento científico como útil para a humanidade.
Tipos de textos (escrita, desenho, pinturas, etc).
Escrita, imagens e signos.
Recursos que serão utilizados
Texto digital com imagens estáticas e em movimentos.
Links de pesquisa.