Slides Sistemas Térmicos

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Caracterização das 
Máquinas Térmicas
Professor: Thiago Ferreira Gomes
E-mail: thiagog@udf.edu.br
Objetivos da Aula
1 Conversores 
Térmicos
Apresentar os principais 
tipos de conversores 
térmicos e seus ciclos 
termodinâmicos.
2 Aplicações Práticas
Demonstrar como estes 
sistemas são utilizados 
em projetos reais.
3 Teoria e Prática
Relacionar os conceitos termodinâmicos com a engenharia 
mecânica aplicada.
Revisão de Conceitos-Chave
1ª Lei da Termodinâmica
Conservação de energia: a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada.
Revisão de Conceitos-Chave
2ª Lei da Termodinâmica
A entropia de um sistema isolado tende a aumentar com o tempo.
Transferência de Calor
Condução
Transferência de calor entre corpos em 
contato direto, sem movimento de massa.
Convecção
Transferência de calor por movimento de 
fluidos, como ar ou água.
Radiação
Transferência de calor por ondas 
eletromagnéticas, sem necessidade de meio 
material.
Importância das Máquinas Térmicas
Setor Energético
Usinas termelétricas e termossolares para geração de eletricidade em larga escala.
Setor Automotivo
Motores de combustão interna em veículos de passeio e transporte.
Setor Aeroespacial
Turbinas a gás em aviões e sistemas de propulsão espacial.
HVAC
Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado em edificações.
Classificação dos Conversores
Combustão Externa
O combustível é queimado fora do cilindro de 
trabalho. Exemplos: turbinas a vapor e motores 
Stirling.
Combustão Interna
O combustível é queimado dentro do cilindro de 
trabalho. Exemplos: motores Otto, Diesel e turbinas 
a gás.
Atividade 1 -Ciclo Carnot 
(Ideal vs. Real)
Diferençie os Ciclos Ideal x Real para isso basei sua resposta nos 
seguintes topicos de maneira estruturada:
Diagramas Pv e Ts
Limitaçaões Práticas
Aproximações 
Considere regeneração ,reaquecimento e eficiêcia
Turbinas a Vapor
Princípio de Funcionamento
Água é aquecida até virar vapor, que expande e move as pás da 
turbina, gerando energia mecânica.
Diagrama T-s
Representa as mudanças de temperatura e entropia durante 
o ciclo termodinâmico.
Aplicações
Usinas termelétricas, navios e algumas locomotivas 
ainda utilizam este sistema.
Diagrama T-s do Ciclo Turbina a Vapor
O diagrama temperatura-entropia (T-s) mostra as quatro etapas principais do ciclo do motor de combustão interna:
Ciclo Rankine (Vapor)
Compressão Isentrópica
A bomba aumenta a pressão da água.
Aquecimento Isobárico
A caldeira transforma água em vapor a pressão constante.
Expansão Isentrópica
O vapor expande na turbina, gerando trabalho.
Condensação Isobárica
O vapor retorna ao estado líquido no condensador.
Funcionamento de Turbina a Gás
1
Admissão de Ar
O ar atmosférico entra pelo 
compressor axial em 
grandes volumes.
2
Compressão
Múltiplos estágios de 
compressão aumentam a 
pressão do ar.
3
Combustão
O combustível é injetado e 
queimado na câmara de 
combustão.
4
Expansão
Os gases quentes expandem 
através das pás da turbina, 
gerando energia.
Ciclo Brayton (Gás)
Compressão Isentrópica
O ar é comprimido, aumentando sua temperatura e pressão.
Adição de Calor
Combustível é queimado, elevando a temperatura a 
pressão constante.
Expansão Isentrópica
Os gases expandem na turbina, produzindo trabalho.
Turbinas a Gás
Compressão
O ar é comprimido antes de entrar 
na câmara.
1
Combustão
O combustível é queimado com o 
ar comprimido.2
Expansão
Os gases quentes expandem 
através da turbina.
3
Exaustão
Os gases são liberados para a 
atmosfera.
4
Diagramas P-V e T-S para Ciclo de Turbina a Gás
Os diagramas P-V e T-S são cruciais para analisar o desempenho das turbinas a gás.
Eles oferecem uma visão detalhada das transformações termodinâmicas durante o ciclo.
Caso Prático: Aviação
O ar entra pelo bocal frontal do 
motor a alta velocidade.Entrada 
O compressor aumenta a pressão do 
ar antes da combustão.Compressão
O combustível é injetado e 
queimado, gerando gases de alta 
energia.
Combustão
Os gases expandem pela turbina e 
saem em alta velocidade, gerando 
empuxo.
Propulsão
Atividade 2
Por que turbinas a gás são preferidas em aviões, e
não motores a vapor?
Relacione sua resposta em relação aos seguintes
topicos:
Peso, Operação e Eficiência
Motores Stirling
1 Ciclo Fechado
Utiliza um gás que permanece 
dentro do sistema, sem trocas 
com o exterior.
2 Fonte Externa
Pode utilizar qualquer fonte de 
calor: combustão, solar ou 
nuclear.
3 Aplicações
Energia solar concentrada, 
submarinos e sistemas de 
cogeração.
Exemplos de Motores Stirling
Diversos modelos de motores Stirling demonstram sua versatilidade. Eles variam desde pequenos modelos de 
demonstração até grandes sistemas de geração de energia. A capacidade de usar diversas fontes de calor os 
torna ideais para aplicações inovadoras.
Motores de Combustão Interna
Motor Otto
Ignição por centelha (faísca). Utilizado em carros de 
passeio. Funciona com gasolina, etanol ou GNV.
Motor Diesel
Ignição por compressão. Maior torque e eficiência. 
Comum em caminhões, ônibus e máquinas pesadas.
Ciclos Otto e Diesel
Ciclo Otto
Adição de calor a volume constante. Compressão e 
expansão isentrópicas.
Ciclo Diesel
Adição de calor a pressão constante. Maior taxa de 
compressão.
Comparativo: Otto vs 
Diesel
Característica Motor Otto Motor Diesel
Ignição Por centelha Por compressão
Eficiência 25-30% 35-40%
Torque Menor Maior
Rotação máxima Alta Baixa
Ciclos de Refrigeração
Compressão
O refrigerante é comprimido, 
aumentando sua temperatura.
1
Condensação
O calor é liberado para o ambiente 
externo.2
Expansão
A pressão é reduzida, causando 
queda de temperatura.
3
Evaporação
O refrigerante absorve calor do 
ambiente interno.
4
Ciclo de Refrigeração
Ciclo de Refrigeção
Usinas Termossolares
Concentração Solar
Espelhos concentram a luz solar em um receptor central.
Armazenamento Térmico
Sais fundidos armazenam calor para uso contínuo, mesmo à noite.
Geração de Vapor
O calor dos sais fundidos gera vapor de alta pressão.
Ciclo Rankine
O vapor aciona uma turbina convencional para gerar eletricidade.
Veículos Híbridos
Motor a Combustão
Fornece energia principal e 
recarrega as baterias. Geralmente 
opera em seu ponto de máxima 
eficiência.
Motor Elétrico
Complementa o motor a 
combustão em acelerações. 
Recupera energia nas frenagens.
Sistema de Controle
Gerencia a distribuição de 
potência entre os motores para 
maximizar a eficiência.
Ciclos Combinados
1
Turbina a Gás
Primeiro ciclo: gases quentes geram eletricidade.
2
Caldeira de Recuperação
Gases de escape aquecem água para gerar vapor.
3
Turbina a Vapor
Segundo ciclo: vapor gera eletricidade adicional.
Sustentabilidade em Máquinas 
Térmicas
Emissões
Redução de NOx, SOx e 
particulados com tecnologias 
de combustão avançadas.
Hidrogênio
Combustível alternativo com 
zero emissões de carbono na 
queima.
Biocombustíveis
Etanol e biodiesel como 
substitutos renováveis para 
combustíveis fósseis.
Eficiência
Aumento da eficiência reduz 
consumo de combustível e 
emissões por kWh.
Atividade 3: Motores 
Stirling em Caminhões
Quais os Prós e Contras da substituição da substituição de 
motores Diesel por motores Stirling ?
Relacione a resposta com os seguintes fatores:
Diagramas Pv e Ts
Tipo de operação
Custo energetico e tecnologico
Potência gerada
Atividade Para Entrega: Análise de Ciclo Termodinâmico
Objetivo
Escolher uma máquina térmica 
real, modelar seu ciclo e 
propor otimizações viáveis.
Metodologia
Pesquisar dados operacionais, 
calcular eficiências e comparar 
valores teóricos com reais.
Entregáveis
Relatório técnico de 5-10 
páginas e apresentação de 10 
minutos para a turma.
Critérios de Avaliação
Originalidade
Escolha de sistemas pouco 
convencionais ou abordagens 
inovadoras.
1
Rigor Técnico
Precisão nos cálculos e 
fundamentação teórica adequada.
2
Aplicabilidade
Propostas de otimizaçãoviáveis 
técnica e economicamente.
3Apresentação
Clareza na comunicação dos 
resultados e conclusões.
4
Dicas para o Projeto
1 Escolha do Sistema
Prefira sistemas com dados disponíveis, como usinas locais ou motores comerciais.
2 Coleta de Dados
Utilize fontes confiáveis: manuais técnicos, artigos científicos ou visitas técnicas.
3 Simulação
Use softwares como Cycle-Tempo ou EES para modelar o ciclo termodinâmico.
4 Otimização
Proponha melhorias realistas, considerando limitações técnicas e econômicas.
Recursos Adicionais
Até semana que vem!
Obrigado pela sua participação. Nos vemos no próximo encontro!
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