Ciclos Termodinâmicos: Rankine, Brayton, Diesel e Otto

Ciclo de Rankine

O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico que converte calor em trabalho. O calor é fornecido externamente a um circuito fechado, que normalmente usa água como fluido de trabalho. O ciclo de Rankine é o processo fundamental de operação das usinas termoelétricas.

O líquido saturado sai do condensador (ponto 1) e é bombeado (ponto 2) para a caldeira. Na caldeira, recebe calor (ponto 3), normalmente a pressão constante. Em seguida, expande-se na turbina, gerando trabalho mecânico. Por fim, o fluido passa pelo condensador, onde retorna ao estado de líquido saturado.

Componentes do Ciclo de Rankine:

• Bomba: O fluido de trabalho é bombeado de baixa para alta pressão. Este processo idealmente adiabático e reversível, requer energia.
• Caldeira: O fluido pressurizado é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido. As fontes de calor podem ser carvão, gás natural ou energia nuclear.
• Turbina: O vapor superaquecido expande-se na turbina, gerando trabalho. Idealmente, a expansão é adiabática e reversível, reduzindo a pressão e a temperatura.
• Condensador: O vapor entra no condensador, onde é resfriado a pressão constante até se tornar líquido saturado. O líquido retorna à bomba, e o ciclo recomeça.

Ciclo de Brayton

O ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico que descreve o funcionamento de motores de turbina a gás. É um ciclo aberto, mas é analisado termodinamicamente como um ciclo fechado para simplificação.

O ciclo consiste em quatro etapas:

1. Compressão: O ar ambiente passa pelo compressor, onde é comprimido adiabaticamente e isentropicamente (idealmente), aumentando sua temperatura e entalpia.
2. Combustão: O ar comprimido é direcionado à câmara de combustão, onde se mistura com o combustível, ocorrendo a queima a pressão constante.
3. Expansão: Os gases de alta pressão e temperatura expandem-se na turbina, idealmente sem variação de entropia. A expansão gera potência mecânica, reduzindo a pressão e a temperatura dos gases. A potência extraída aciona o compressor e outras máquinas.
4. Exaustão (Conceitual): Esta etapa não ocorre fisicamente em um ciclo aberto. Representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.

Mesmo sendo um ciclo aberto, parte da energia da combustão é rejeitada como calor nos gases de escape. A rejeição de calor é um limite físico intrínseco aos ciclos termodinâmicos, definido pela segunda lei da termodinâmica.

Ciclos de Diesel e Otto

O parâmetro λ indica o aumento da pressão durante a explosão da mistura gasosa. Esse aumento é maior no motor Otto, pois a explosão é iniciada por uma centelha elétrica na vela de ignição. Isso causa um aumento brusco da pressão, quase sem variação de volume, chegando a triplicá-la (λ ≈ 3 no motor Otto). No motor Diesel, a explosão ocorre com a introdução do combustível no cilindro (onde apenas o ar foi comprimido), fazendo com que a pressão não aumente significativamente a volume constante.