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O Ciclo Diesel

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>Modelo

ID:(1487, 0)



Mecanismos

Iframe

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O ciclo Diesel é um ciclo termodinâmico que fundamenta o funcionamento dos motores diesel, amplamente utilizados em veículos e maquinaria industrial. Desenvolvido por Rudolf Diesel na década de 1890, este ciclo distingue-se principalmente pelo seu processo de ignição em comparação com o ciclo Otto dos motores a gasolina. No ciclo Diesel, o ar é aspirado para o cilindro e comprimido a uma taxa muito mais alta do que nos motores a gasolina, o que eleva sua temperatura a um ponto que pode inflamar o combustível diesel sem a necessidade de uma vela de ignição.

Durante a operação, o ciclo começa com o pistão puxando ar enquanto se move para baixo. Em seguida, o ar é comprimido no movimento ascendente, aumentando sua temperatura. No pico da fase de compressão, o combustível é injetado no ar comprimido e quente em forma de uma fina névoa, causando ignição espontânea. A combustão empurra o pistão para baixo, gerando energia. Por fim, na fase de exaustão, os gases resultantes da combustão são expelidos quando o pistão se move para cima novamente, completando o ciclo.

Os motores Diesel são conhecidos por sua eficiência e durabilidade. A alta taxa de compressão não só permite que o motor extraia mais energia do combustível, mas também aumenta sua eficiência térmica, o que significa que uma maior parte da energia do combustível é convertida em trabalho mecânico. Os motores Diesel geralmente oferecem uma melhor eficiência de combustível e produzem menos emissões de CO2 por unidade de energia em comparação com seus equivalentes a gasolina, mas podem emitir níveis mais altos de outros poluentes, como óxidos de nitrogênio e partículas.

Código
Conceito

Mecanismos

ID:(15283, 0)



Ciclo de Carnot

Conceito

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Sadi Carnot introduziu [1] o conceito teórico do primeiro projeto de máquina capaz de gerar trabalho mecânico com base em um gradiente de temperatura. Isso é alcançado por meio de um processo no espaço pressão-volume, onde calor é adicionado e extraído, conforme ilustrado na imagem:



A área sob a curva o calor fornecido (Q_H), que se estende de 1 a 2, representa a energia necessária para transitar do estado (p_1, V_1) para o estado (p_2, V_2). Por outro lado, a área sob a curva o calor absorvido (Q_C), indo de 2 para 1, representa a extração de energia necessária para retornar do estado (p_2, V_2) ao estado (p_1, V_1). A diferença entre essas áreas corresponde à região delimitada por ambas as curvas e representa o trabalho eficaz (W) que o sistema pode realizar.

Carnot também demonstrou que, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor fornecido (Q_H) não pode ser igual a zero. Isso implica que não existem máquinas capazes de converter todo o calor em trabalho.

[1] "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" (Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo e sobre Máquinas Adequadas para Desenvolver Essa Potência), Sadi Carnot, Annales scientifiques de lÉ.N.S. 2e série, tome 1, p. 393-457 (1872)

ID:(11131, 0)



Ciclo Diesel: Diagrama Pressão-Volume

Conceito

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Rudolf Diesel [1] propôs criar um ciclo distinto do ciclo de Carnot com o objetivo de alcançar uma eficiência superior em comparação com o ciclo de Otto. Esse processo se desenrola nas seguintes etapas:

• Estágio 1 a 2: Compressão adiabática (p_1,V_1,T_1)\rightarrow (p_2,V_2,T_2),
• Estágio 2 a 3: Aquecimento e expansão à pressão constante (p_2,V_2,T_2)\rightarrow (p_2,V_3,T_3),
• Estágio 3 a 4: Expansão adiabática (p_2,V_3,T_3)\rightarrow (p_3,V_1,T_4),
• Estágio 4 a 1: Resfriamento a volume constante (p_3,V_1,T_4)\rightarrow (p_1,V_1,T_1)

Esses estágios são ilustrados abaixo:

A chave está no estágio 2 a 3, onde a expansão ocorre à pressão constante. A razão torna-se evidente ao examinarmos o gráfico:

A energia ganha é igual à área contida dentro do ciclo, e ao realizar a compressão à pressão constante, essa área é maior do que no caso da compressão a volume constante.

[1] "Verfahren zur Entwickelung eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren" (Método para o Desenvolvimento de um Motor Térmico Racional para Substituir a Máquina a Vapor e os Motores de Combustão Contemporâneos), Rudolf Diesel, Kaiserlichen Patentamts, No. 67207 (1892)

ID:(11141, 0)



Análise de eficiência

Conceito

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Tanto o ciclo Otto quanto o ciclo Diesel dependem das variáveis la temperatura no estado 1 (T_1), la temperatura no estado 2 (T_2), la temperatura no estado 3 (T_3) e la temperatura no estado 4 (T_4). No entanto, no caso do ciclo Diesel, ele também depende de o índice adiabático (\kappa), cujo valor é 1,4.

No ciclo Otto, a eficiência é calculada com base na temperatura usando a seguinte equação:

\eta =1-\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }



Já no ciclo Diesel, a eficiência é calculada com base na temperatura usando a seguinte equação:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }

A inclusão do fator 1/\kappa \sim 0,71 no ciclo Diesel o torna mais eficiente em comparação com o ciclo Otto para a mesma configuração de temperatura. Isso é resultado direto do aumento da área contida na curva que representa o ciclo na representação pressão-volume.

ID:(11153, 0)



Expansão adiabática

Conceito

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Dado que em uma expansão adiabática, o gás atende às relações o volume no estado i (V_i), o volume no estado f (V_f), la temperatura no estado inicial (T_i), la temperatura no estado final (T_f) e o índice adiabático (\kappa) expressas como:

T_i V_i ^{ \kappa -1}= T_f V_f ^{ \kappa -1}



Podemos observar que na mudança de estado de o volume intermediário (V_3) e la temperatura no estado 3 (T_3) para o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 4 (T_4), a seguinte igualdade se mantém:

T_3V_3^{\kappa-1}=T_4V_1^{\kappa-1}



Usando a equação para o fator de expansibilidade (r_E):

r_E =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_3 }



Obtemos:

T_3 = T_4 r_E ^{ \kappa - 1}

ID:(15751, 0)



Calor fornecido

Conceito

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Dado que em uma expansão adiabática, o gás satisfaz as relações o volume no estado i (V_i), o volume no estado f (V_f), la temperatura no estado inicial (T_i), la temperatura no estado final (T_f) e o índice adiabático (\kappa), expressas como:

T_i V_i ^{ \kappa -1}= T_f V_f ^{ \kappa -1}



Podemos observar que durante a mudança de estado de o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 1 (T_1) para o volume compactado (V_2) e la temperatura no estado 2 (T_2), a seguinte igualdade é mantida:

T_1V_1^{\kappa-1}=T_2V_2^{\kappa-1}



Usando a equação para o facteur de compressibilité (r_C):

r_C =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }



Obtemos:

T_2 = T_1 r_C ^{ \kappa - 1}

ID:(15752, 0)



Aquecimento a gás

Conceito

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Como o aquecimento ocorre a pressão constante, aplicamos a lei de Charles:

\displaystyle\frac{ V_i }{ T_i }=\displaystyle\frac{ V_f }{ T_f }



Portanto, a mudança de estado (V_2, T_2) para (V_3, T_3) deve satisfazer a equação:

\displaystyle\frac{T_2}{V_2} = \displaystyle\frac{T_3}{V_3}



Com as equações:

r_C =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }



r_E =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_3 }



podemos reescrever como:

T_3 = \displaystyle\frac{V_3}{V_2} T_2 = \displaystyle\frac{V_3}{V_2} T_2 = \displaystyle\frac{V_3}{V_1} \displaystyle\frac{V_1}{V_2} T_2 = \displaystyle\frac{r_C}{r_E} T_2



ou seja:

T_3 =\displaystyle\frac{ r_C }{ r_E } T_2

ID:(15753, 0)



Eficiência dependendo das temperaturas

Conceito

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A eficiência em relação à temperatura é definida por:

\eta = 1-\displaystyle\frac{ Q_C }{ Q_H }



com as quantidades de calor fornecido:

Q_H = C_p ( T_3 - T_2 )



e absorvido:

Q_C = C_V ( T_4 - T_1 )



temos a relação de eficiência em função da temperatura:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }

ID:(15754, 0)



Eficiência em função dos fatores de compressão e expansão

Conceito

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O valor de la eficiência (\eta) pode ser calculado usando os valores o índice adiabático (\kappa), la temperatura no estado 1 (T_1), la temperatura no estado 2 (T_2), la temperatura no estado 3 (T_3) e la temperatura no estado 4 (T_4) na seguinte equação:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }



Além disso, as relações entre as temperaturas com o facteur de compressibilité (r_C) e o fator de expansibilidade (r_E) são definidas pelas seguintes equações:

T_2 = T_1 r_C ^{ \kappa - 1}



T_3 = T_4 r_E ^{ \kappa - 1}



T_3 =\displaystyle\frac{ r_C }{ r_E } T_2



Adicionalmente, o valor de o índice adiabático (\kappa) é utilizado na equação:

\kappa =\displaystyle\frac{ C_p }{ C_V }



Essas equações nos permitem calcular o desempenho de um processo que segue o ciclo Diesel usando a seguinte equação:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ r_E ^{- \kappa }- r_C ^{- \kappa }}{ r_E ^{-1}- r_C ^{-1}}

ID:(15755, 0)



Modelo

Top

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Parâmetros

Símbolo
Texto
Variáve
Valor
Unidades
Calcular
Valeur MKS
Unidades MKS
c_V
c_V
Calor específico dos gases a volume constante
J/kg K
C_p
C_p
Capacidade térmica a pressão constante
J/kg
C_V
C_V
Capacidade térmica em volume constante
J/kg
r_C
r_C
Facteur de compressibilité
-
r_E
r_E
Fator de expansibilidade
-
\kappa
kappa
Índice adiabático
-
M
M
Massa
kg

Variáveis

Símbolo
Texto
Variáve
Valor
Unidades
Calcular
Valeur MKS
Unidades MKS
Q_C
Q_C
Calor absorvido
J
Q_H
Q_H
Calor fornecido
J
\eta
eta
Eficiência
-
T_1
T_1
Temperatura no estado 1
K
T_2
T_2
Temperatura no estado 2
K
T_3
T_3
Temperatura no estado 3
K
T_4
T_4
Temperatura no estado 4
K
V_2
V_2
Volume compactado
m^3
V_1
V_1
Volume expandido
m^3
V_3
V_3
Volume intermediário
m^3

Cálculos


Primeiro, selecione a equação: para , depois, selecione a variável: para
c_p = C_p / M c_V = C_V / M eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1)Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Cálculos

Símbolo
Equação
Resolvido
Traduzido

Cálculos

Símbolo
Equação
Resolvido
Traduzido

Variáve Dado Calcular Objetivo : Equação A ser usado
c_p = C_p / M c_V = C_V / M eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1)Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3




Equações

#
Equação

c_p =\displaystyle\frac{ C_p }{ M }

c_p = C_p / M


c_V =\displaystyle\frac{ C_V }{ M }

c_V = C_V / M


\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ r_E ^{- \kappa }- r_C ^{- \kappa }}{ r_E ^{-1}- r_C ^{-1}}

eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C )


\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }

eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 ))


Q_C = C_V ( T_4 - T_1 )

Q_C = C_V *( T_4 - T_1 )


Q_H = C_p ( T_3 - T_2 )

Q_H = C_p *( T_3 - T_2 )


r_C =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }

r_C = V_1 / V_2


r_E =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_3 }

r_E = V_1 / V_3


T_1 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_2 V_2 ^{ \kappa - 1}

T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1)


T_2 = T_1 r_C ^{ \kappa - 1}

T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1)


T_3 =\displaystyle\frac{ r_C }{ r_E } T_2

T_3 = T_2 * r_C / r_E


T_3 = T_4 r_E ^{ \kappa - 1}

T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1)


T_4 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_3 V_2 ^{ \kappa - 1}

T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1)

ID:(15342, 0)



Compressão adiabática

Equação

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Neste caso, do ponto inicial 1 ao ponto 2. Isso significa que durante a compressão adiabática, o estado do gás muda de o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 1 (T_1) para o volume compactado (V_2) e la temperatura no estado 2 (T_2) da seguinte forma:

T_1 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_2 V_2 ^{ \kappa - 1}

\kappa
Índice adiabático
-
6661
T_1
Temperatura no estado 1
K
8489
T_2
Temperatura no estado 2
K
8490
V_2
Volume compactado
m^3
8498
V_1
Volume expandido
m^3
8497
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Dado que em uma expansão adiabática, o gás satisfaz a relação com o volume no estado i (V_i), o volume no estado f (V_f), la temperatura no estado inicial (T_i) e la temperatura no estado final (T_f):

T_i V_i ^{ \kappa -1}= T_f V_f ^{ \kappa -1}



Neste caso, do ponto inicial 1 ao ponto 2. Isso significa que durante a compressão adiabática, o estado do gás muda de o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 1 (T_1) para o volume compactado (V_2) e la temperatura no estado 2 (T_2) da seguinte forma:

T_1 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_2 V_2 ^{ \kappa - 1}

ID:(11160, 0)



Calor fornecido

Equação

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O calor fornecido (Q_H) pode ser calculado com la capacidade térmica a pressão constante (C_p), la temperatura no estado 3 (T_3) e la temperatura no estado 2 (T_2) usando a fórmula:

Q_H = C_p ( T_3 - T_2 )

Q_H
Calor fornecido
J
8170
C_p
Capacidade térmica a pressão constante
J/K
7937
T_2
Temperatura no estado 2
K
8490
T_3
Temperatura no estado 3
K
8491
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Ao fornecer o calor fornecido (Q_H), a temperatura do gás aumenta de T_2 para T_3 em um processo isobárico (à pressão constante). Isso implica que podemos utilizar a relação para ($$) com la capacidade térmica a pressão constante (C_p) e ($$), expressa pela equação:

\Delta Q = C_p \Delta T



Isso nos leva aos valores de la temperatura no estado 3 (T_3) e la temperatura no estado 2 (T_2) usando a fórmula:

Q_H = C_p ( T_3 - T_2 )

ID:(11144, 0)



Expansão adiabática

Equação

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Neste caso, do ponto inicial 3 ao ponto 4. Isso significa que, durante a expansão adiabática, o estado do gás muda de o volume compactado (V_2) e la temperatura no estado 3 (T_3) para o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 4 (T_4), conforme:

T_4 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_3 V_2 ^{ \kappa - 1}

\kappa
Índice adiabático
-
6661
T_3
Temperatura no estado 3
K
8491
T_4
Temperatura no estado 4
K
8492
V_2
Volume compactado
m^3
8498
V_1
Volume expandido
m^3
8497
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Durante uma expansão adiabática, o gás satisfaz a relação envolvendo o volume no estado i (V_i), o volume no estado f (V_f), la temperatura no estado inicial (T_i) e la temperatura no estado final (T_f):

T_i V_i ^{ \kappa -1}= T_f V_f ^{ \kappa -1}



Neste caso, do ponto inicial 3 ao ponto 4. Isso significa que, durante a expansão adiabática, o estado do gás muda de o volume compactado (V_2) e la temperatura no estado 3 (T_3) para o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 4 (T_4), conforme:

T_4 V_1 ^{ \kappa - 1} = T_3 V_2 ^{ \kappa - 1}

.

ID:(11159, 0)



Calor removido

Equação

>Top, >Modelo


O calor absorvido (Q_C) pode ser calculado a partir de la capacidade térmica em volume constante (C_V), la temperatura no estado 4 (T_4) e la temperatura no estado 1 (T_1) usando a fórmula:

Q_C = C_V ( T_4 - T_1 )

Q_C
Calor absorvido
J
8171
C_V
Capacidade térmica em volume constante
J/K
8481
T_1
Temperatura no estado 1
K
8489
T_4
Temperatura no estado 4
K
8492
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Ao remover o calor absorvido (Q_C), a temperatura do gás aumenta de T_1 para T_4 em um processo isobárico (a pressão constante). Isso implica que podemos utilizar a relação para ($$) com la capacidade térmica em volume constante (C_V) e ($$), que é expressa pela equação:

dU = C_V \Delta T



Isso nos leva aos valores de la temperatura no estado 1 (T_1) e la temperatura no estado 4 (T_4) usando a fórmula:

Q_C = C_V ( T_4 - T_1 )

ID:(11145, 0)



Fator de corte de combustão r_C

Equação

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Na análise do ciclo Diesel, é útil introduzir o chamado o facteur de compressibilité (r_C), que representa a relação entre o volume expandido (V_1) e o volume compactado (V_2) durante a compressão da mistura, conforme mostrado na seguinte expressão:

r_C =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }

r_C
Facteur de compressibilité
-
8501
V_2
Volume compactado
m^3
8498
V_1
Volume expandido
m^3
8497
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

ID:(11146, 0)



Fator de corte de exaustão r_E

Equação

>Top, >Modelo


Na análise do ciclo Diesel, é vantajoso introduzir o termo o fator de expansibilidade (r_E), que representa a relação entre o volume expandido (V_1) e o volume intermediário (V_3) durante a compressão da mistura, conforme ilustrado na seguinte expressão:

r_E =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_3 }

r_E
Fator de expansibilidade
-
8502
V_1
Volume expandido
m^3
8497
V_3
Volume intermediário
m^3
8499
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

ID:(11147, 0)



Expansão adiabática

Equação

>Top, >Modelo


La temperatura no estado 3 (T_3) pode ser calculado com la temperatura no estado 4 (T_4), o fator de expansibilidade (r_E) e o índice adiabático (\kappa) usando:

T_3 = T_4 r_E ^{ \kappa - 1}

r_E
Fator de expansibilidade
-
8502
\kappa
Índice adiabático
-
6661
T_3
Temperatura no estado 3
K
8491
T_4
Temperatura no estado 4
K
8492
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Dado que em uma expansão adiabática, o gás atende às relações o volume no estado i (V_i), o volume no estado f (V_f), la temperatura no estado inicial (T_i), la temperatura no estado final (T_f) e o índice adiabático (\kappa) expressas como:

T_i V_i ^{ \kappa -1}= T_f V_f ^{ \kappa -1}



Podemos observar que na mudança de estado de o volume intermediário (V_3) e la temperatura no estado 3 (T_3) para o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 4 (T_4), a seguinte igualdade se mantém:

T_3V_3^{\kappa-1}=T_4V_1^{\kappa-1}



Usando a equação para o fator de expansibilidade (r_E):

r_E =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_3 }



Obtemos:

T_3 = T_4 r_E ^{ \kappa - 1}

ID:(11149, 0)



Calor fornecido

Equação

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La temperatura no estado 2 (T_2) pode ser calculado a partir de la temperatura no estado 1 (T_1), o facteur de compressibilité (r_C) e o índice adiabático (\kappa) usando:

T_2 = T_1 r_C ^{ \kappa - 1}

r_C
Facteur de compressibilité
-
8501
\kappa
Índice adiabático
-
6661
T_1
Temperatura no estado 1
K
8489
T_2
Temperatura no estado 2
K
8490
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Dado que em uma expansão adiabática, o gás satisfaz as relações o volume no estado i (V_i), o volume no estado f (V_f), la temperatura no estado inicial (T_i), la temperatura no estado final (T_f) e o índice adiabático (\kappa), expressas como:

T_i V_i ^{ \kappa -1}= T_f V_f ^{ \kappa -1}



Podemos observar que durante a mudança de estado de o volume expandido (V_1) e la temperatura no estado 1 (T_1) para o volume compactado (V_2) e la temperatura no estado 2 (T_2), a seguinte igualdade é mantida:

T_1V_1^{\kappa-1}=T_2V_2^{\kappa-1}



Usando a equação para o facteur de compressibilité (r_C):

r_C =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }



Obtemos:

T_2 = T_1 r_C ^{ \kappa - 1}

ID:(11148, 0)



Aquecimento a gás

Equação

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La temperatura no estado 3 (T_3) pode ser calculado a partir de la temperatura no estado 2 (T_2), o facteur de compressibilité (r_C) e o fator de expansibilidade (r_E) usando:

T_3 =\displaystyle\frac{ r_C }{ r_E } T_2

r_C
Facteur de compressibilité
-
8501
r_E
Fator de expansibilidade
-
8502
T_2
Temperatura no estado 2
K
8490
T_3
Temperatura no estado 3
K
8491
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Como o aquecimento ocorre a pressão constante, aplicamos a lei de Charles:

\displaystyle\frac{ V_i }{ T_i }=\displaystyle\frac{ V_f }{ T_f }



Portanto, a mudança de estado (V_2, T_2) para (V_3, T_3) deve satisfazer a equação:

\displaystyle\frac{T_2}{V_2} = \displaystyle\frac{T_3}{V_3}



Com as equações:

r_C =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_2 }



r_E =\displaystyle\frac{ V_1 }{ V_3 }



podemos reescrever como:

T_3 = \displaystyle\frac{V_3}{V_2} T_2 = \displaystyle\frac{V_3}{V_2} T_2 = \displaystyle\frac{V_3}{V_1} \displaystyle\frac{V_1}{V_2} T_2 = \displaystyle\frac{r_C}{r_E} T_2



ou seja:

T_3 =\displaystyle\frac{ r_C }{ r_E } T_2

ID:(11150, 0)



Eficiência dependendo das temperaturas

Equação

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La eficiência (\eta) pode ser calculado a partir de o índice adiabático (\kappa), la temperatura no estado 1 (T_1), la temperatura no estado 2 (T_2), la temperatura no estado 3 (T_3) e 8492 usando:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }

\eta
Eficiência
-
5245
\kappa
Índice adiabático
-
6661
T_1
Temperatura no estado 1
K
8489
T_2
Temperatura no estado 2
K
8490
T_3
Temperatura no estado 3
K
8491
T_4
Temperatura no estado 4
K
8492
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

A eficiência em relação à temperatura é definida por:

\eta = 1-\displaystyle\frac{ Q_C }{ Q_H }



com as quantidades de calor fornecido:

Q_H = C_p ( T_3 - T_2 )



e absorvido:

Q_C = C_V ( T_4 - T_1 )



temos a relação de eficiência em função da temperatura:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }

ID:(11164, 0)



Eficiência em função dos fatores de compressão e expansão

Equação

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O cálculo de la eficiência (\eta) é realizado usando o índice adiabático (\kappa), o facteur de compressibilité (r_C) e o fator de expansibilidade (r_E), como segue:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ r_E ^{- \kappa }- r_C ^{- \kappa }}{ r_E ^{-1}- r_C ^{-1}}

\eta
Eficiência
-
5245
r_C
Facteur de compressibilité
-
8501
r_E
Fator de expansibilidade
-
8502
\kappa
Índice adiabático
-
6661
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

O valor de la eficiência (\eta) pode ser calculado usando os valores o índice adiabático (\kappa), la temperatura no estado 1 (T_1), la temperatura no estado 2 (T_2), la temperatura no estado 3 (T_3) e la temperatura no estado 4 (T_4) na seguinte equação:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ T_4 - T_1 }{ T_3 - T_2 }



Além disso, as relações entre as temperaturas com o facteur de compressibilité (r_C) e o fator de expansibilidade (r_E) são definidas pelas seguintes equações:

T_2 = T_1 r_C ^{ \kappa - 1}



T_3 = T_4 r_E ^{ \kappa - 1}



T_3 =\displaystyle\frac{ r_C }{ r_E } T_2



Adicionalmente, o valor de o índice adiabático (\kappa) é utilizado na equação:

\kappa =\displaystyle\frac{ C_p }{ C_V }



Essas equações nos permitem calcular o desempenho de um processo que segue o ciclo Diesel usando a seguinte equação:

\eta =1-\displaystyle\frac{1}{ \kappa }\displaystyle\frac{ r_E ^{- \kappa }- r_C ^{- \kappa }}{ r_E ^{-1}- r_C ^{-1}}

ID:(11156, 0)



Calor específico dos gases a pressão constante

Equação

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($$) é igual a la capacidade térmica a pressão constante (C_p) dividido por la massa (M):

c_p =\displaystyle\frac{ C_p }{ M }

C_p
Capacidade térmica a pressão constante
J/K
7937
M
Massa
kg
5215
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Seguindo uma analogia ao calor específico (c) para líquidos e sólidos com la capacidade calórica (C) e la massa (M):

c =\displaystyle\frac{ C }{ M }



existe também ($$) para o aquecimento a pressão constante com la capacidade térmica a pressão constante (C_p):

c_p =\displaystyle\frac{ C_p }{ M }

ID:(11114, 0)



Calor específico dos gases a volume constante

Equação

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O calor específico dos gases a volume constante (c_V) é igual a la capacidade térmica em volume constante (C_V) dividido por la massa (M):

c_V =\displaystyle\frac{ C_V }{ M }

c_V
Calor específico dos gases a volume constante
J/kg K
6662
C_V
Capacidade térmica em volume constante
J/K
8481
M
Massa
kg
5215
c_V = C_V / M c_p = C_p / M Q_H = C_p *( T_3 - T_2 ) Q_C = C_V *( T_4 - T_1 ) r_C = V_1 / V_2 r_E = V_1 / V_3 T_2 = T_1 r_C ^( kappa - 1) T_3 = T_4 r_E ^( kappa - 1) T_3 = T_2 * r_C / r_E eta = 1 -( r_E ^(- kappa )- r_C ^(- kappa ))/( kappa *(1/ r_E -1/ r_C ) T_4 * V_1 ^( kappa -1)= T_3 V_2 ^( kappa - 1) T_1 * V_1 ^( kappa -1)= T_2 V_2 ^( kappa - 1) eta =1-( T_4 - T_1 )/( kappa *( T_3 - T_2 )) Q_Cc_VQ_HC_pC_Vetar_Cr_EkappaMT_1T_2T_3T_4V_2V_1V_3

Seguindo uma analogia ao calor específico (c) para líquidos e sólidos com la capacidade calórica (C) e la massa (M):

c =\displaystyle\frac{ C }{ M }



existe também um calor específico dos gases a volume constante (c_V) para aquecimento a volume constante com la capacidade térmica em volume constante (C_V):

c_V =\displaystyle\frac{ C_V }{ M }

ID:(11113, 0)