Um exemplo comum de aplicação das leis da Termodinâmica é o motor de quatro tempos. Neste tipo de sistema, a energia é fornecida em forma de calor, pela queima do combustível.
Trata-se de um sistema aberto. Isto porque troca massa com o meio externo, ao longo de um ciclo completo. Mas se tratarmos isoladamente cada um dos quatro processos que ocorrem basicamente nele, podemos considerá-los como sistemas fechados ou isolados, em cada caso especial.
Analisemos o primeiro tempo: a válvula de saída de gases está fechada, enquanto que a válvula que libera a entrada de ar e combustível permanece aberta. Neste caso, o motor vai receber a mistura ar combustível conforme mostra a figura 01.
Figura 01: admissão da mistura ar e combustível, associada ao aumento do volume do cilindro.
No segundo tempo, a mistura de ar e combustível é comprimida ao se aproveitar a energia cinética do motor já em movimento. Esta energia cinética é convertida em trabalho realizado pelas forças que deslocam o êmbolo no sentido de diminuir o volume do cilindro. As duas válvulas estão fechadas neste instante e ocorre o que pode se chamar de compressão adiabática, ou seja, sem haver uma troca de calor do cilindro com o meio externo. Isto é o que se observa na figura 02.
Figura 02: o cilindro está fechado e o pistão está comprimindo os gases em seu interior.
O terceiro tempo é constituído pela queima da mistura ar e combustível. Nos motores a álcool bem como nos motores a gasolina esta combustão é iniciada com uma faísca fornecida pelo sistema elétrico que é acionado mecanicamente no instante apropriado a isso, conforme mostra a figura 03. Durante este processo, o gás sofre uma expansão devido ao aumento da temperatura, e há um consequente aumento da pressão na mistura dos gases confinados no cilindro, o que faz com que o êmbolo seja forçado no sentido de aumentar o volume. Esta força é aproveitada pra exercer um torque em torno do eixo principal do motor.
Figura 03: a mistura ar e combustível será comprimida. Os motores a álcool e os a gasolina emitem uma centelha que dá o início a queima dos gases. Os motores a diesel não necessitam da centelha.
O quarto tempo consiste na expulsão dos gases queimados dentro do cilindro. Uma válvula de escape é acionada mecanicamente pelas peças que se movimentam aproveitando a inércia de rotação, enquanto que a válvula que permite a entrada de ar e combustível permanece fechada conforme mostra a figura 04.
Figura 04: a válvula de escape é aberta pra expulsão dos gases, enquanto o êmbolo faz diminuir o volume do cilindro.
Todos estes passos são repetidos em ciclos.
No caso do motor a diesel, há uma grande semelhança com os a gasolina e a álcool, onde difere basicamente no fato de que a queima do combustível não se dá por ignição devido a uma faísca. Ela acontece espontaneamente devido a diminuição do volume e o conseqüente aumento da pressão, que ocasiona um consequente aumento na temperatura. Em alguns motores, a razão entre o volume menor (gás comprimido) e o volume maior (gás expandido) é de 1/17 e a temperatura ultrapassa os 1000ºC podendo atingir em torno de 1200ºC.
Referências bibliográficas
HALLIDAY, David, RESNIK Robert, KRANE, Denneth S. Física 2, volume
1, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. 384 p.
Texto originalmente publicado em https://www.infoescola.com/termodinamica/motor-de-quatro-tempos/