Baixe Desafio profissional a1 2015 eng3 r02 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! FACULDADE ANHANGUERA EDUCACIONAL Campus Osasco Engenharia Civil - Semipresencial Física II, Cálculo II e Fundamentos de Hidrostática e Calorimetrica Aldrei Jose Cucoloto – RA: 9515352314 Cesar Henrique Bognar Serrano – RA: 8978192914 Henrique dos Santos – RA: 8521933613 Rodrigo Pompeo – RA: 1299222631 Tiene Shiki – RA: 9367304948 As propriedades utilizadas pela locomotiva a vapor a partir da queima de combustível para promover o deslocamento da máquina. Tutor: Genildo Silva de Souza 1 Osasco, 17/04/2015 INTRODUÇÃO A Locomotiva a vapor. A Locomotiva a vapor é uma locomotiva movimentada por um motor a vapor que compõe de três partes principais: a caldeira, a máquina térmica e a carroçaria. É um dispositivo que ilustra uma máquina térmica. Na fornalha, pela combustão é obtida energia térmica (calor), que é transferida para a água existente na caldeira. Essa água se aquece e entra em ebulição, e o vapor produzido expande-se, realizando trabalho. A expansão do vapor transformou energia térmica em energia mecânica (pela realização de trabalho), o que resulta no movimento do equipamento. As locomotivas a vapor utilizam o vapor sob pressão para acionar os êmbolos que transmitem o movimento por puxavantes e braçagens às rodas. Na fornalha, localizada mais atrás, queimando combustível - carvão, lenha ou óleo (que fica armazenado no tender) é obtida energia térmica (calor), que é transferida para a água existente na caldeira. A caldeira é basicamente um tanque de aço resistente a altas pressões cheio d'água e com tubos interligando a fornalha à caixa de fumaça na parte da frente, por onde passa a chama para o aquecimento e produção do vapor. Na parte superior um conjunto de válvulas colhe o vapor e o distribui para os cilindros onde vai acionar os êmbolos, escapando depois por um tubo Venturi dentro da caixa de fumaça para a chaminé e com isto aumentando a tiragem para manter intensa a chama na fornalha. Sendo a locomotiva equipada com superaquecedor o vapor, ao sair da caldeira, passa por uma serpentina de tubos em contato com a chama para aumentar sua temperatura e pressão, expandindo-se e realizando trabalho. 2 Figura 3 – Carvão Vegetal. Lenha A lenha foi a primeira fonte energética usada pelo homem para a obtenção do fogo que, consequentemente, passou a ser usado para aquecer e iluminar o ambiente, para cozer alimentos e até mesmo defender-se de animais ferozes. O desenvolvimento das técnicas de combustão da lenha tornou-se a base energética da civilização antiga, levando ao desenvolvimento de atividades importantes, como: fabricação de vidro, fundição de metais, cerâmica, etc. Figura 4 – Lenha 5 A lenha tem grande importância na Matriz Energética Brasileira, participando com cerca de 10% da produção de energia primária. A lenha pode ser de origem nativa ou de reflorestamento. Pode-se obter a lenha através do extrativismo vegetal de regiões reflorestadas ou de mata nativa. É uma matéria-prima que está sendo usada ainda hoje por, aproximadamente, metade da população da Terra em lareiras, fornalhas, fogões a lenha, caldeiras em indústrias, pois é uma fonte energética de baixo custo. Consequentemente tem recebido a denominação de energia dos pobres por ser parte significativa da base energética dos países em desenvolvimento, chegando a representar até 95% da fonte de energia em vários países. Nos países industrializados, a contribuição da lenha chega a um máximo de 4%. Cerca de 40% da lenha produzida no Brasil é transformada em carvão vegetal. O setor residencial é o que mais consome lenha (29%), depois do carvoejamento. Geralmente ela é destinada a cocção dos alimentos nas regiões rurais. O setor industrial vem em seguida com cerca de 23% do consumo. As principais indústrias consumidoras de lenha no país são alimentícia e de bebidas, além de cerâmicas, papel e celulose. A mata nativa sempre foi uma fonte de lenha, que parecia inesgotável, devido à quantidade gerada na ampliação da fronteira agrícola. A forma devastadora com que ela foi explorada deixou o país em situação crítica, em várias regiões onde existiam abundantes coberturas florestais, no tocante à degradação do solo, alteração no regime de chuvas e consequente desertificação. A substituição da lenha de mata nativa por lenha de reflorestamento vem crescendo a cada ano, sendo o eucalipto a principal árvore cultivada para este fim. Além da madeira pinho, comumente usada porque possui baixa quantidade de água em sua composição, caracterizando-se como boa produtora de calor. A serragem e os cavacos (sobra das serrarias ou do corte de madeiras) apresentam melhor combustão porque são pequenos em relação aos troncos. Na produção de lenha para fins comerciais, uma parte da árvore (troncos e galhos finos) é rejeitada constituindo os resíduos florestais. Além disso, as indústrias que usam a madeira para fins não energéticos, como as serrarias e as indústrias de móveis, produzem resíduos industriais como; pontas de toras, costaneiras e serragem em diferentes tamanhos de partículas e densidade, que podem ter aproveitamentos energéticos. 6 Óleo Diesel Combustível derivado do petróleo, constituído basicamente por hidrocarbonetos, o óleo diesel é um composto formado principalmente por átomos de carbono, hidrogênio, e em baixas concentrações, por enxofre, nitrogênio e oxigênio. É um produto inflamável, medianamente tóxico, volátil, límpido, isento de material em suspensão e com odor forte e característico. O óleo diesel é utilizado em motores de combustão interna e ignição por compressão (motores do ciclo diesel), empregados nas mais diversas aplicações. Figura 5 – Óleo Diesel Cálculo da Quantidade de Calor na fonte quente. Em uma locomotiva a vapor, a caldeira representa a fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de calor. Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é convertida em trabalho mecânico. Sabemos que pelo poder calorífico dos combustíveis é possível calcular a quantidade de calor que a locomotiva utiliza quando abastecemos com 2 toneladas de combustível. Informação: 1cal = 4,18J COMBUSTÍVEL PODER CALORÍFICO UNIDADE 7 Ou W = 61,60x - 19,71x W 41,90x J Quando uma força tem a mesma direção do movimento o trabalho realizado é positivo: W>0. Quando uma força tem direção oposta ao movimento o trabalho realizado é negativo: W<0. Calculando o deslocamento Em termodinâmica, potência motriz é um agente, com água ou vapor, usada para transmitir movimento. Geralmente, a potência motriz é definida como um agente natural (água, vapor, vento, eletricidade, etc.), usados para transmitir movimento ao maquimário (um motor). Na física abordamos muitos problemas técnicos, onde é de fundamental importância analisarmos quão rápido um trabalho é realizado. Uma máquina será mais eficiente que outra se realizar o mesmo trabalho em um intervalo de tempo menor. A potência de uma máquina é medida pela razão entre o trabalho realizado (W), e o intervalo de tempo gasto para realizá-lo. (∆t). As locomotivas a vapor tinham potência da ordem de 60 a 80 CV – Chevat a vapeur (Cavalo Vapor). 1 CV = 735 Watts Utilizando a potência média igual a 70CV, encontramos: P = 70 X 735 = 51,45x Watts (kg.m²/s²) 10 Convertendo a unidade de trabalho (W) de joule (J) para kgf.m, temos: W = 41,90x J = 41,90x X 0,101971621300936 42,73x kgf.m Utilizando a equação de potência teremos o intervalo de tempo: P = 51,45x = ∆t = s A velocidade da locomotiva atinge 30 km/h. v = 30 km/h / 3,6 8,33 m/s Sabemos que aceleração é a razão da variação de velocidade pelo intervalo de tempo: a = a = 10,04x m/s² A massa da locomotiva é 5 toneladas: Massa = 5 toneladas = 5000 kg = 50x10² kg Com o dado de aceleração podemos calcular a força (F) por: 11 F = m X a F = 50x10² X 10,04x = 50,2x kg.m/s² Trabalho também pode ser definido por: W = F X d = 50,2x X d d = d 85,12x m PASSO 4: Conclusão. Entendendo o funcionamento das máquinas térmicas e analisando os resultados obtidos do calor quente (Q1), do trabalho (W) e do calor (Q2), confirmamos a aplicação da Segunda Lei da Termodinamica que diz: “É impossível construir uma máquina que operando em ciclos transforme todo calor em trabalho.” E observando o rendimento da máquina e a relação entre calor e trabalho, confirmamos a aplicação da Primeira Lei de Termodinâmica. As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época. A locomotiva foi uma das mais importantes máquinas térmicas, pois além de ser utilizada para o transporte de cargas, possibilitou viagens de longo percurso. Com o passar do tempoforam sendo aperfeiçoadas e em 1924 os seus motores a vapor, de combustão externa, foram subtituidos por motor diesel de combustão interna e o 12