O diagrama P-V a seguir representa o ciclo de Otto para um motor de combustão interna, como os motores a gasolina ou a etanol, utilizados nos automóveis.
As etapas representadas no diagrama estão descritas no quadro.
Disponível em: www.mspc.eng.br.
Acesso em: 24 fev. 2013 (adaptado).
A transformação da energia térmica em energia útil ocorre na etapa
A) II.
B) III.
C) IV.
D) V.
E) VI.
Resolução em texto
Matérias Necessárias para a Solução da Questão:
- Física termodinâmica
- Ciclo de Otto
- energia térmica
- mecânica.
Nível da Questão: Médio.
Gabarito: Letra C.
1º Passo: Análise do Comando e Definição do Objetivo
Comando da Questão:
Identificar em qual etapa do ciclo de Otto ocorre a transformação da energia térmica em energia útil.
Palavras-chave:
- “Transformação de energia térmica em energia útil”
- “Etapa”
- “Ciclo de Otto”
Objetivo:
Reconhecer a etapa específica no ciclo de Otto onde a energia térmica da combustão é convertida em trabalho mecânico.
Dica Geral:
⚠️ No ciclo de Otto, a energia útil é aquela transformada em trabalho mecânico, geralmente associada à expansão adiabática do gás no motor.
2º Passo: Tradução e Interpretação do Texto
- Ciclo de Otto e Etapas:
O ciclo de Otto é o ciclo termodinâmico de motores a combustão interna, como os de gasolina ou etanol. Ele envolve processos de compressão, combustão, expansão e exaustão. - Análise das Etapas no Quadro:
- Etapa II (1 → 2): Compressão adiabática da mistura.
- Etapa III (2 → 3): Introdução de energia na forma de calor pela combustão.
- Etapa IV (3 → 4): Expansão adiabática, transformando a energia térmica em trabalho mecânico.
- Etapa V (4 → 1): Liberação de energia na forma de calor.
- Etapa VI (1 → 0): Liberação dos gases da combustão.
Conclusão Parcial:
A conversão de energia térmica em energia útil ocorre na etapa de expansão adiabática (3 → 4), onde o gás realiza trabalho.
3º Passo: Explicação de Conceitos Necessários
- Energia térmica e energia útil no ciclo de Otto:
- A energia térmica (calor) da combustão aumenta a pressão do gás, que realiza trabalho mecânico durante a expansão adiabática.
- Expansão adiabática (3 → 4):
- O gás se expande, aumentando o volume e empurrando o pistão, gerando trabalho útil sem troca de calor com o ambiente.
- Outras etapas no ciclo de Otto:
- Compressão adiabática (1 → 2): O gás é comprimido, aumentando a pressão e a temperatura.
- Queima do combustível (2 → 3): O calor da combustão aumenta ainda mais a pressão.
- Exaustão (4 → 1 e 1 → 0): O calor residual e os gases são expelidos, mas não produzem trabalho útil.
4º Passo: Análise das Alternativas
Dica Geral:
⚠️ Preste atenção nas etapas do ciclo de Otto! A etapa que transforma energia térmica em trabalho útil é a expansão adiabática (3 → 4), onde o gás realiza trabalho mecânico ao expandir.
A) II (Compressão adiabática da mistura):
- Incorreta. Nesta etapa, a energia térmica ainda não está sendo transformada em trabalho útil. É um processo que prepara o gás para a combustão.
- Conclusão: Alternativa incorreta.
B) III (Introdução de energia na forma de calor da combustão):
- Incorreta. O calor é fornecido ao sistema nesta etapa, mas ainda não ocorre a conversão em trabalho útil.
- Conclusão: Alternativa incorreta.
C) IV (Expansão adiabática):
- Correta. Nesta etapa, o gás expandido realiza trabalho mecânico ao mover o pistão, transformando energia térmica em energia útil.
- Conclusão: Alternativa correta.
D) V (Liberação de energia na forma de calor):
- Incorreta. Esta etapa envolve a dissipação de energia térmica residual, não gerando trabalho útil.
- Conclusão: Alternativa incorreta.
E) VI (Liberação dos gases resultantes da combustão):
- Incorreta. Nesta etapa, os gases são expulsos, mas nenhuma energia útil é gerada.
- Conclusão: Alternativa incorreta.
5º Passo: Conclusão e Justificativa Final
Conclusão:
A alternativa correta é C) IV (Expansão adiabática), pois é a etapa onde a energia térmica da combustão é convertida em trabalho mecânico, movimentando o pistão.
Resumo Final:
No ciclo de Otto, a energia térmica é transformada em energia útil na etapa de expansão adiabática (3 → 4), onde o gás realiza trabalho ao empurrar o pistão, gerando movimento no motor.
