Física

Ensino Médio

Física do automóvel

Funcionamento do motor do carro

Carlos Roberto de Lana*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação

Muita gente que não gosta de física gosta de automóveis. O que elas não sabem é que o automóvel nada mais é do que uma aula de física ambulante.

O automóvel convencional é um motor movido a explosão, envolto por uma cabine com rodas. Isso nos permite classificá-lo fisicamente como uma máquina térmica que converte a energia química do combustível em trabalho. O efeito disso é o deslocamento do veículo.

Tudo começa, portanto, no combustível, que é a fonte primária de energia que permite que o carro -a máquina térmica- funcione. Gasolina, álcool, diesel e gás natural são compostos orgânicos que podem reagir com o oxigênio e produzir calor pela reação de combustão.

A quantidade de calor produzida por cada unidade de massa do combustível é definida pela propriedade chamada de poder calorífico, que é de aproximadamente 10.500 ^Kcal/_Kg na gasolina e 6.500 ^Kcal/_Kg no álcool. Essa é a razão pela qual os motores apresentam menor consumo por quilômetro rodado quando utilizam a gasolina.

Calor residual

O objetivo do motor é transformar em trabalho esses 10.500 ou 6.500 kcal de energia química presente em cada quilograma do combustível. Porém, só conseguiremos fazer isto com uma parte relativamente pequena do total de energia disponibilizada, uma vez que máquinas térmicas tendem a apresentar baixo rendimento. Isso significa que a maior parte da energia se perderá no meio ambiente, na forma de calor residual.

Automóveis convencionais são movidos por motores de quatro tempos, que operam o chamado Ciclo Otto: admissão, compressão, explosão e escape, que ocorrem dentro de um cilindro equipado com um pistão móvel.

A figura 1 apresenta o esquema simplificado de um cilindro de um motor a explosão de quatro tempos.

Figura 1: Esquema de cilindro de um motor a explosão de quatro tempos

Energia que se transforma em trabalho

Para entender como o Ciclo Otto transforma a energia química do combustível em trabalho, vamos usar duas equações bem conhecidas e simples. A primeira é a definição de trabalho:

Equação 1: Definição de trabalho

Quem se lembrou de uma outra equação, que diz que trabalho é o produto da força pela distância, não precisa ficar confuso.

Como pressão = ^força/_área e, simplificando, ^volume/_área= distância, as duas equações representam a mesma coisa por dois modos matemáticos.

A segunda equação será a da Lei Geral dos Gases Perfeitos:

Equação 2: Lei Geral dos Gases Perfeitos

Esta equação indica que uma massa de gás, quando aquecida, aumenta sua pressão e volume na mesma proporção do aumento de sua temperatura absoluta.

Voltemos ao automóvel, antes que os que odeiam física e gostam de carros desistam de continuar lendo. O que ocorre dentro de cada cilindro do motor a explosão é exatamente a transferência dessas regras das equações ideais da física para a realidade técnica das nossas máquinas.

Os quatro tempos do Ciclo Otto

Para entender isto, vamos ver resumidamente o funcionamento de cada um dos tempos do Ciclo Otto.

Primeiro tempo: admissão

Para que o combustível atinja as características explosivas necessárias ao funcionamento do ciclo, é necessário que ele seja misturado a uma quantidade de ar.

Para isso, o pistão que estava no ponto morto superior desce, criando um vácuo parcial no cilindro, que suga o ar atmosférico enquanto recebe o combustível do sistema de injeção através da válvula de admissão aberta.

Essa mistura combustível-ar obedece a uma proporção definida, controlada pela injeção eletrônica ou pelo carburador.

Ao fim do tempo de admissão, o pistão encontra-se no ponto morto inferior e todo volume do cilindro está ocupado pela mistura combustível-ar.

Segundo tempo: compressão

O pistão que estava no ponto morto inferior sobe até o ponto morto superior com as válvulas de admissão e escape fechadas.

Com este movimento, a mistura combustível-ar é comprimida, alcançando a capacidade ideal de explosão.

A relação entre a pressão final e a pressão inicial da mistura combustível-ar durante o tempo de compressão é chamada de taxa de compressão, sendo comumente expressa na forma 11: 1, 10: 1, 9:1 (onze por um, dez por um, nove por um) etc.

Ao final do segundo tempo, o pistão atinge o ponto morto superior e a mistura está comprimida e pronta para explodir.

Terceiro tempo: explosão ou ignição

Este é o único tempo verdadeiramente motor do ciclo. Nele a mistura combustível-ar entra em ignição e explode. Nos motores do Ciclo Otto, essa ignição é provocada por uma faísca emitida pela vela (nos motores de Ciclo Diesel a explosão ocorre ao fim do tempo de compressão como resultado do aumento da temperatura em função do aumento da pressão, sem necessidade de emissão de faísca).

Com a explosão, a energia química do combustível se transforma em calor e energia mecânica sob a forma de pressão, que por sua vez causa a expansão do gás, conforme a Lei Geral dos Gases Perfeitos (equação 2) ajustada para condições não ideais.

A pressão desloca o pistão do ponto morto superior para o inferior, que no trajeto produz o trabalho representado pelo produto da pressão interna pelo volume do cilindro, conforme equação 1.

Quarto tempo: escape

A válvula de escape se abre, o pistão sobe do ponto morto inferior para o superior e os gases de combustão são expelidos para o sistema de escapamento.

Geralmente quando alguém dá partida no carro, não se preocupa com a voltagem e a amperagem necessárias para que o motor de arranque rompa a inércia do sistema, nem com o coeficiente de atrito entre as bronzinas e a manivela, nem mesmo com a estequiometria da mistura combustível-ar necessária para sustentar o Ciclo Otto nas partidas a frio. Mesmo assim, cada vez alguém dá partida, presta tributo aos físicos que se preocuparam com tudo isto.

*Carlos Roberto de Lana é engenheiro químico e professor.

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