No estudo da física e da termodinâmica, um processo é uma mudança de estado em um sistema onde suas propriedades termodinâmicas, como pressão, volume e temperatura, são alteradas através da transferência de energia na forma de calor ou trabalho. Esses processos estão envolvidos nos ciclos termodinâmicos dos motores de combustão interna (endotérmicos), que são os motores comumente encontrados em automóveis, motocicletas e muitos outros tipos de máquinas.
Os motores endotérmicos convertem a energia química do combustível (como gasolina ou diesel) em energia mecânica. Isto é conseguido através de ciclos termodinâmicos que ocorrem dentro dos cilindros do motor. Os principais componentes do motor incluem pistão, cilindro, válvula de admissão, válvula de escape e virabrequim. O movimento dos pistões dentro dos cilindros é o que impulsiona o veículo.
Os ciclos mais importantes nestes motores são os ciclos Otto e Diesel. Em ambos os casos, os processos termodinâmicos que aparecem nas suas diferentes etapas são os seguintes:
- Isobárico: a pressão permanece constante enquanto o volume muda.
- Adiabático: Não há troca de calor com o meio ambiente; mudança de pressão e temperatura devido à compressão ou expansão do gás.
- Isocórico (Isocórico): O volume permanece constante à medida que a pressão e a temperatura mudam.
Etapas do ciclo Otto
Um dos ciclos mais comuns que descreve o funcionamento dos motores de combustão interna é o ciclo Otto. Este ciclo consiste em quatro etapas principais: admissão, compressão, combustão (expansão) e exaustão.
1. Admissão (processo isobárico)
Durante o curso de admissão, a válvula de admissão abre e o pistão desce dentro do cilindro. Isso permite que a mistura de ar e combustível entre no cilindro.
Neste ponto, o processo é isobárico, pois a pressão no interior do cilindro permanece constante (igual à pressão atmosférica) enquanto o volume aumenta. Este aumento de volume se deve ao movimento descendente do pistão que cria mais espaço dentro do cilindro.
2. Compressão (processo adiabático)
Após a entrada da mistura ar-combustível no cilindro, a válvula de admissão fecha e o pistão sobe, comprimindo a mistura.
Este processo aumenta a temperatura e a pressão da mistura, mas não é um processo isobárico, mas sim adiabático, pois a pressão muda durante a compressão.
3. Combustão e expansão (processo isocórico e depois isobárico)
No momento em que o pistão atinge o topo do cilindro, a mistura comprimida é inflamada por uma faísca. A rápida combustão da mistura produz um aumento repentino de temperatura e pressão (processo isocórico), seguido pela expansão dos gases.
À medida que o pistão se move para baixo durante a expansão, o volume do cilindro aumenta e a pressão tende a permanecer constante (processo isobárico) na fase final da expansão.
4. Escape (proceso isobárico)
Na fase de escape, a válvula de escape abre e o pistão sobe novamente, empurrando os gases queimados para fora do cilindro.
Tal como na fase de admissão, a pressão no cilindro permanece relativamente constante (à pressão atmosférica) enquanto o volume diminui. Este é outro exemplo de processo isobárico.
Estágios do ciclo diesel
No ciclo Diesel, a eficiência e o desempenho dependem de como a pressão, o volume e a temperatura são gerenciados no motor.
1. Admissão (processo isobárico)
Durante a fase de admissão, a válvula de admissão abre e o pistão desce no cilindro. Isso permite que o ar entre no cilindro.
Nesta fase, o processo é isobárico, pois a pressão no interior do cilindro permanece constante à pressão atmosférica enquanto o volume aumenta devido ao movimento descendente do pistão. Ao contrário dos motores a gasolina, apenas o ar entra nesta fase nos motores a diesel, e não uma mistura de ar e combustível.
2. Compressão (processo adiabático)
Na fase de compressão, a válvula de admissão fecha e o pistão sobe, comprimindo o ar dentro do cilindro.
Este processo aumenta significativamente a temperatura e a pressão do ar devido à elevada taxa de compressão do motor diesel, que não é um processo isobárico mas sim adiabático, uma vez que a pressão muda consideravelmente.
3. Combustão (processo isobárico e isocórico)
A fase de combustão em um motor diesel começa quando o pistão está próximo ao seu ponto mais alto (ponto morto superior). Neste ponto, o combustível diesel finamente atomizado é injetado no ar comprimido.
Devido à alta temperatura do ar comprimido, o combustível inflama espontaneamente (autoignição). Aqui, a combustão é dividida em duas partes:
- Combustão inicial (processo isocórico): Inicialmente, o combustível injetado queima rapidamente, aumentando a temperatura e a pressão sem alteração significativa de volume.
- Combustão de expansão (processo isobárico): Mais combustível é então injetado de forma controlada, mantendo a pressão constante enquanto o volume aumenta devido ao movimento descendente do pistão. Este é um processo isobárico e é crucial para a eficiência do motor diesel, pois permite a expansão controlada do gás e um fornecimento de energia mais suave.
Escape (proceso isobárico)
Na fase de escape, a válvula de escape abre e o pistão sobe novamente, expelindo os gases queimados para fora do cilindro.
Semelhante à fase de admissão, a pressão no cilindro permanece relativamente constante (à pressão atmosférica) enquanto o volume diminui. Este é outro processo isobárico.
Diferenças entre os ciclos Diesel e Otto
No ciclo Otto, processos isobáricos ocorrem durante a admissão e a exaustão. Durante a admissão, a mistura ar-combustível entra no cilindro a pressão constante e, durante a exaustão, os gases queimados são expelidos a pressão constante. Não há processo isobárico durante a combustão e expansão.
Por outro lado, no ciclo diesel também ocorrem processos isobáricos durante a admissão e exaustão, mas o ar só é admitido na admissão. Neste caso, o ciclo Diesel inclui um processo isobárico durante a combustão.
Após a autoignição do combustível, a combustão ocorre a pressão constante enquanto o pistão desce, permitindo a queima controlada e a expansão eficiente dos gases. Essa diferença na fase de combustão contribui para a maior eficiência do motor diesel em comparação ao motor a gasolina do ciclo Otto.