Motor Stirling

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE FORMAÇÃO DE PROFESSORES CURSO DE LICENCIATURA EM FÍSICA Disciplina Termodinâmica 20242 Prof Leandro Luiz S Pereira Discente ATIVIDADE DE RECUPERAÇÃO Instruções I Esta é uma atividade individual e autoral Leia atentamente o contexto abaixo e responda cada questão 25 pontos com base em seus conhecimentos teóricos e experiências práticas II A atividade deve ser manuscrita de forma legível e organizada III Não serão aceitas respostas copiadas da internet ou geradas por IA IV As respostas serão avaliadas quanto à clareza coerência e fundamentação física V PRAZOENTREGA até 2504 anexar arquivo docx ou pdf para o email leandroluizprofessorufcgedubr Escrever no assunto ATIVIDADE DE RECUPERAÇÃO TERMODINÂMICA 20242 NOME DO ALUNO CONTEXTO DA ATIVIDADE Você foi convidado por uma escola do Ensino Médio da sua cidade a apresentar um experimento demonstrativo sobre máquinas térmicas com o objetivo de explicar conceitos básicos de Termodinâmica a estudantes da 3ª série Como você participou da construção de um protótipo de motor Stirling na disciplina de Termodinâmica a coordenação da escola sugeriu que você reaproveitasse esse modelo ou seus aprendizados na atividade 1 Descreva brevemente como você organizaria a atividade didática na escola e quais estratégias utilizaria para abordar os seguintes aspectos máximo 1 página a Problematizar as máquinas térmicas a partir de um tema b Ensinar sobre o funcionamento do motor Stirling c Aplicar conceitos da Termodinâmica ao estudo do motor Stirling 2 Considere o ciclo ideal de uma máquina Stirling composto por duas transformações isotérmicas expansão e compressão e duas isocóricas aquecimento e resfriamento Com base nisso a Esboce à mão o ciclo nos diagramas Pressão VS Volume e Temperatura VS Entropia b Indique como varia a entropia do fluido em cada transformação termodinâmica aumenta diminui ou permanece constante justificando as respostas com suas próprias palavras 3 Suponha que ao usar álcool 96 em combustão como fonte de calor você obtém temperaturas médias de Tq 570 K e Tf 340 K onde Tq é a temperatura da fonte quente e Tf a temperatura da fonte fria a Calcule o rendimento teórico da máquina b Discuta por que na prática o rendimento real é sempre inferior Argumente sobre pelo menos três fatores físicos que causam essa diferença 4 Reflita e argumente sobre a Que conceitos da disciplina de Termodinâmica ficaram mais claros para você após as práticas com a máquina térmica b Como essas experiências mudaram sua forma de ver o ensino da Física Organização da Atividade Didática sobre Máquinas Térmicas com o Motor Stirling a Problematização poderia comer fazendo uma pergunta como poderiamos transforma o calor em movimento Logo após poderia ser aberto uma interação debatendo de onde vem a energia que move um carro um comboio ou até mesmo uma maquininha de café Dessa forma haveria uma abordagem com o intuito de ligar o tema do previsto junto a realidade dos estudantes juntando fontes de energia e eficiência energetica Poderia trazer uma abordagem contextualizando nossa atualidade sobre crise climatica evidenciando a importância de tecnologias mais sustentaveis e eficientes como por exemplo motores termicos alternativos b Funcionamento do Motor Stirling faria uma apresentação do protótipo do motor Stirling identificado fazendo uma explicação visual das partes principais do mesmo na qual apresentaria pistões câmaras de ar quente câmaras de ar frio fonte de calor etc Com o motor ainda em funcionamento realçaria que o mesmo utiliza a expansão e a compressão do ar ou gás alternadamente sendo aquecido e resfriado para obter movimento Para melhor entendimento e fixação do conteúdo utilizaria esquemas material gráfico simples e alguns vídeos curtos Se fosse possível deixaria os alunos realizarem a experiência tátil do modelo supervisionandoos e promovendo uma maior interatividade no ensino c Conceitos de Termodinâmica Aplicados Conectaria o funcionamento do motor aos conceitos fundamentais da Termodinâmica 1ª Lei da Termodinâmica conservação da energia explicar que o calor fornecido ao motor é parcialmente transformado em trabalho 2ª Lei da Termodinâmica destacar que nem todo o calor é convertido em trabalho havendo sempre uma parte dissipada o que justifica a presença de fontes fria e quente no motor Ciclos termodinâmicos introduzir o conceito de ciclo Stirling com gráficos simplificados de pressão versus volume diagrama PV Para fixar os conceitos proporia uma atividade de grupo em que os alunos relacionassem as partes do motor Stirling com as etapas do ciclo termodinâmico Conclusão finalizaria com uma discussão sobre a viabilidade do motor Stirling em aplicações reais e alternativas energéticas para o futuro A intenção seria não só ensinar conceitos mas despertar curiosidade científica e senso crítico nos alunos 2 a b Variação da Entropia Vamos analisar cada transformação do ciclo Stirling Expansão isotérmica A B O sistema absorve calor a temperatura constante Entropia aumenta pois há entrada de calor com ΔS QT 0 Delta S fracQ T 0 ΔS TQ 0 Aquecimento isocórico B C Há aumento da temperatura mas não há variação de volume sem trabalho Todo calor recebido serve para elevar a energia interna Como é um processo irreversível de transferência de calor a entropia do sistema aumenta se idealizado podese assumir constante mas em um modelo realista ela aumenta ligeiramente Compressão isotérmica C D O sistema libera calor para o meio a temperatura constante Entropia diminui calor sai do sistema ΔS 0 Delta S 0ΔS 0 Resfriamento isocórico D A Temperatura diminui sem variação de volume Entropia diminui ou permanece constante dependendo da idealização 3 a Calculo O rendimento teórico máximo de uma máquina térmica ideal é dado pelo rendimento de Carnot que depende apenas das temperaturas da fonte quente Tq e da fonte fria Tf em Kelvin ƞCarnot 1 Tf Tq ƞCarnot 1 340570 1 0596 0404 ƞ 404 b Por que o rendimento real é menor que o teórico Na prática o rendimento de uma máquina térmica nunca alcança o rendimento de Carnot por diversos motivos Aqui vão três fatores físicos importantes 1 Perdas por atrito mecânico As partes móveis pistões eixos geram atrito o que transforma parte da energia em calor não aproveitável 2 Transferência de calor não ideal O calor não é transferido instantaneamente nem de forma perfeita entre as fontes e o gás de trabalho Sempre há perdas de energia para o ambiente 3 Condução e radiação de calor para o meio externo Parte do calor escapa para o ar ao redor aquecendo o ambiente ao invés de ser totalmente utilizado no ciclo da máquina Outros fatores poderiam ser citados como falhas na vedação ineficiência dos materiais ou tempo de resposta térmica do sistema 4 a Quais conceitos ficaram mais claros com a prática Alguns exemplos de respostas possíveis dependendo da sua vivência Conceito de rendimento ficou muito mais tangível antes era só uma fórmula agora entendo o que ele significa fisicamente A diferença entre calor e trabalho ficou claro que calor é a energia transferida devido à diferença de temperatura e que trabalho é energia útil transformada em movimento Ciclos termodinâmicos vendo o motor funcionar ficou mais fácil visualizar como o gás se comporta ao ser aquecido e resfriado e como isso se relaciona com as fases do ciclo b Como essa experiência mudou sua visão sobre o ensino da Física Você pode refletir de forma pessoal por exemplo Percebi como a Física pode ser muito mais interessante quando sai da lousa e vira algo palpável Aprendi que experimentos simples podem explicar ideias complexas e isso me motivou a querer entender mais Entendi que aprender fazendo com as mãos e os olhos não só com fórmulas torna o conteúdo muito mais memorável