
Mecanismos
Iframe 
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.
Mecanismos
ID:(15283, 0)

Ciclo de Carnot
Conceito 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 

Parâmetros

Variáveis

Cálculos




Cálculos
Cálculos







Equações
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
ID:(11146, 0)

Fator de corte de exaustão r_E
Equação 
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:
![]() |
ID:(11147, 0)

Expansão adiabática
Equação 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
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:
![]() |
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 
($$) é igual a la capacidade térmica a pressão constante (C_p) dividido por la massa (M):
![]() |
Seguindo uma analogia ao calor específico (c) para líquidos e sólidos com la capacidade calórica (C) e la massa (M):
c =\displaystyle\frac{ C }{ M } |
existe também ($$) 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 
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):
![]() |
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)