Um motor a combustão consome massa de combustível m? = 1,50×10^-3 kg/s com poder calorífico inferior LHV =…

Questão

Um motor a combustão consome massa de combustível m? = 1,50×10^-3 kg/s com poder calorífico inferior LHV = 44×10^6 J/kg e entrega potência mecânica útil P_out = 18,0 kW. (a) Calcule a eficiência térmica global ? = P_out/(m?·LHV). (b) Identifique três causas principais de perda de energia no motor e proponha duas medidas técnicas para aumentar a eficiência, justificando fisicamente.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Cálculo: potência de entrada térmica = m?·LHV = 1,50×10^-3 kg/s·44×10^6 J/kg = 6,60×10^4 J/s = 66,0 kW. Eficiência ? = P_out/(m?·LHV) = 18,0 kW / 66,0 kW = 0,2727 ? 27,3%. Causas de perda (três): 1) Perda por calor para o sistema de arrefecimento e parede do cilindro: parte do calor liberado na combustão é conduzido/convectado para o líquido de arrefecimento e radiado, não convertendo-se em trabalho (q_loss). Fórmula relevante: energia perdida por condução Q? = k·A·?T/?x (unidades J/s). 2) Perda por exaustão: gases quentes saem com energia térmica e entalpia que não é aproveitada; potência perdida ~ m?_g·c_p·?T (J/s). 3) Perdas mecânicas e de atrito: atrito entre componentes transforma potência útil em calor; reduz P_out efetivo. Medidas para aumentar eficiência (duas) e justificativa física: A) Recuperação de calor e ciclo regenerativo (ex.: turbocompressor e trocador de calor ou sistema Rankine para reaproveitar calor de exaustão): reduz energia rejeitada Q_c, aumentando razão P_out/(m?·LHV). B) Elevar a pressão/temperatura de entrada ou taxa de compressão (ex.: turboalimentação, controle de injeção e ignição, melhores combustíveis): aumenta temperatura máxima do ciclo e trabalho extraído por ciclo segundo princípios termodinâmicos (W ciclo aumenta com T_hot), melhorando eficiência térmica teórica. Observação: todas as grandezas devem ser tratadas em unidades SI (J, W, kg, s); 1 W = 1 J/s.

Explicação

A eficiência térmica é calculada pela relação entre a potência útil e a potência térmica disponível, considerando as perdas de energia que ocorrem no motor. As causas de perda identificadas refletem os principais mecanismos que reduzem a conversão de energia térmica em trabalho mecânico. As medidas propostas visam otimizar o uso da energia disponível, aumentando a eficiência geral do sistema por meio da recuperação de calor e do aumento das condições operacionais do motor.

Raio-X da questão

Questões parecidas com resolução

• Considere um motor Otto que consome m = 0,012 kg de combustível por ciclo, com poder calorífico LHV = 44×10^6 J/kg. A…
• (Dissertativa) Projete um ciclo simples em que se exige trabalho mecânico W = 5,0×10^5 J por ciclo obtido da combustão…
• Projete um motor térmico ideal que forneça P_out = 200 kW úteis, usando combustível com LHV = 43,0×10^6 J/kg. O motor…
• Um elevador de carga transporta massa total m = 1,50×10^3 kg verticalmente a uma altura h = 12 m por ciclo, movendo-se…
• Considere uma máquina térmica de referência (Carnot) entre T_cold = 300 K e T_hot = 800 K. (a) Calcule o rendimento de…
• Um motor térmico opera entre uma fonte quente a Th = 400 K e um reservatório frio a Tc = 300 K. Em cada ciclo o sistema…

Todas as questões de Biodiversidade e Sustentabilidade