a) Para o motor Otto, CALCULE a taxa de calor fornecido ao ciclo necessário para que o motor produza a potência especificada, considerando o comportamento ideal do ar e regime permanente.

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Sabe-se que o estudo da termodinâmica é fundamental para a engenharia, pois fornece a base teórica para entender e controlar processos de conversão de energia. Ela permite analisar sistemas térmicos e energéticos, como motores, turbinas, sistemas de refrigeração e ar-condicionado.
Compreender os princípios da termodinâmica é essencial para projetar sistemas eficientes, reduzir perdas energéticas e otimizar o uso de recursos. Além disso, ela é crucial para desenvolver tecnologias sustentáveis, como energias renováveis e processos industriais menos poluentes. A termodinâmica também está presente em fenômenos naturais e na vida cotidiana, ajudando a explicar desde a fervura da água até o funcionamento do corpo humano. Pode ser considerada muitas vezes como a base para o dimensionamento de máquinas térmicas.

CONTEXTUALIZAÇÃO

 
Uma empresa de tecnologia energética está desenvolvendo um equipamento para abastecer instalações industriais em regiões mais afastadas dos centros urbanos, onde o fornecimento de energia é limitado. O sistema será composto por dois motores térmicos distintos: um de ignição por centelha (que pode ser modelado como um ciclo Otto) e outro de ignição por compressão (que pode ser modelado como um ciclo Diesel), ambos operando segundo o modelo padrão a ar para fins de projeto, estimativa e simulação térmica.
O motor Otto foi projetado com uma razão de compressão de 10 e deve operar fornecendo 95 kW de potência útil de forma contínua, enquanto o motor Diesel, possui uma razão de compressão de 18. Ele admite ar a 100 kPa e 30 °C, e, devido às limitações dos materiais utilizados na câmara de combustão, a temperatura máxima do ciclo é limitada a 1427 °C.
O engenheiro responsável precisa verificar o desempenho teórico de ambos os motores para validar a viabilidade do projeto. Para isso, foi solicitado que fossem realizadas as seguintes análises:
 
a) Para o motor Otto, CALCULE a taxa de calor fornecido ao ciclo necessário para que o motor produza a potência especificada, considerando o comportamento ideal do ar e regime permanente.
b) Para o motor Diesel, DETERMINE a eficiência térmica máxima teórica com base nas condições informadas e, em seguida, calcule a pressão média efetiva (PME) correspondente ao ciclo ideal.
c) Sabendo que a eficiência térmica influencia diretamente o consumo de combustível, estime, para uma hora de operação contínua, a energia total fornecida a cada motor (em kJ). Em seguida, COMPARE o consumo energético dos dois ciclos e discuta, com base nos resultados, qual motor é mais vantajoso sob o ponto de vista da economia de combustível.
 
Considere:   
R = 0,287 kJ/kg.K;
c_p = 1,005 kJ/kg.K
c_v = 0,718 kJ/kg.K

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Sabe-se que o estudo da termodinâmica é fundamental para a engenharia, pois fornece a base teórica para entender e controlar processos de conversão de energia. Ela permite analisar sistemas térmicos e energéticos, como motores, turbinas, sistemas de refrigeração e ar-condicionado.
Compreender os princípios da termodinâmica é essencial para projetar sistemas eficientes, reduzir perdas energéticas e otimizar o uso de recursos. Além disso, ela é crucial para desenvolver tecnologias sustentáveis, como energias renováveis e processos industriais menos poluentes. A termodinâmica também está presente em fenômenos naturais e na vida cotidiana, ajudando a explicar desde a fervura da água até o funcionamento do corpo humano. Pode ser considerada muitas vezes como a base para o dimensionamento de máquinas térmicas.

CONTEXTUALIZAÇÃO

 
Uma empresa de tecnologia energética está desenvolvendo um equipamento para abastecer instalações industriais em regiões mais afastadas dos centros urbanos, onde o fornecimento de energia é limitado. O sistema será composto por dois motores térmicos distintos: um de ignição por centelha (que pode ser modelado como um ciclo Otto) e outro de ignição por compressão (que pode ser modelado como um ciclo Diesel), ambos operando segundo o modelo padrão a ar para fins de projeto, estimativa e simulação térmica.
O motor Otto foi projetado com uma razão de compressão de 10 e deve operar fornecendo 95 kW de potência útil de forma contínua, enquanto o motor Diesel, possui uma razão de compressão de 18. Ele admite ar a 100 kPa e 30 °C, e, devido às limitações dos materiais utilizados na câmara de combustão, a temperatura máxima do ciclo é limitada a 1427 °C.
O engenheiro responsável precisa verificar o desempenho teórico de ambos os motores para validar a viabilidade do projeto. Para isso, foi solicitado que fossem realizadas as seguintes análises:
 
a) Para o motor Otto, CALCULE a taxa de calor fornecido ao ciclo necessário para que o motor produza a potência especificada, considerando o comportamento ideal do ar e regime permanente.
b) Para o motor Diesel, DETERMINE a eficiência térmica máxima teórica com base nas condições informadas e, em seguida, calcule a pressão média efetiva (PME) correspondente ao ciclo ideal.
c) Sabendo que a eficiência térmica influencia diretamente o consumo de combustível, estime, para uma hora de operação contínua, a energia total fornecida a cada motor (em kJ). Em seguida, COMPARE o consumo energético dos dois ciclos e discuta, com base nos resultados, qual motor é mais vantajoso sob o ponto de vista da economia de combustível.
 
Considere:   
R = 0,287 kJ/kg.K;
c_p = 1,005 kJ/kg.K
c_v = 0,718 kJ/kg.K

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a) Qual será o volume ocupado pelo gás ideal se a pressão for aumentada para 3,5 MPa, mantendo a temperatura constante?

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ATIVIDADES DE ESTUDO 1 – TERMODINÂMICA

​
 

 
QUESTÃO 1

Durante o processo de desenvolvimento de um sistema de armazenamento de gás comprimido para abastecimento de um determinado equipamento, uma equipe de engenheiros realiza testes em um cilindro de alta pressão. O objetivo é entender o comportamento do gás em diferentes condições de operação para garantir segurança e eficiência no abastecimento.

Em um dos testes, o cilindro contém 3 m³ de um gás ideal a uma pressão de 1,5 MPa e temperatura de 320K. Os engenheiros precisam estimar como o volume do gás será alterado caso ele seja comprimido para uma pressão mais alta, mantendo a temperatura constante. Além disso, é necessário calcular a quantidade de gás contida no recipiente, bem como analisar o seu comportamento.

Com base nessa situação, responda:

a) Qual será o volume ocupado pelo gás ideal se a pressão for aumentada para 3,5 MPa, mantendo a temperatura constante?
b) Qual é o número de mols do gás presente no recipiente nas condições iniciais?
c) Suponha agora um segundo gás nas mesmas condições iniciais descritas (3 m³, 1,5 MPa, 320 K), mas com fator de compressibilidade igual a 0,92. Qual será o volume ocupado por esse gás se a pressão for aumentada para 3,5 MPa a temperatura constante?

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ATIVIDADES DE ESTUDO 1 – TERMODINÂMICA

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QUESTÃO 1

Durante o processo de desenvolvimento de um sistema de armazenamento de gás comprimido para abastecimento de um determinado equipamento, uma equipe de engenheiros realiza testes em um cilindro de alta pressão. O objetivo é entender o comportamento do gás em diferentes condições de operação para garantir segurança e eficiência no abastecimento.

Em um dos testes, o cilindro contém 3 m³ de um gás ideal a uma pressão de 1,5 MPa e temperatura de 320K. Os engenheiros precisam estimar como o volume do gás será alterado caso ele seja comprimido para uma pressão mais alta, mantendo a temperatura constante. Além disso, é necessário calcular a quantidade de gás contida no recipiente, bem como analisar o seu comportamento.

Com base nessa situação, responda:

a) Qual será o volume ocupado pelo gás ideal se a pressão for aumentada para 3,5 MPa, mantendo a temperatura constante?
b) Qual é o número de mols do gás presente no recipiente nas condições iniciais?
c) Suponha agora um segundo gás nas mesmas condições iniciais descritas (3 m³, 1,5 MPa, 320 K), mas com fator de compressibilidade igual a 0,92. Qual será o volume ocupado por esse gás se a pressão for aumentada para 3,5 MPa a temperatura constante?

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a) (0,5 ponto). Realizar o experimento utilizando a maleta de eletrônica analógica com os recursos disponíveis nela, podendo variar os valores de resistor e capacitor para valores próximos caso necessário, obtendo cada forma de onda de acordo com os itens da questão 1.

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A Modulação por largura de pulso (PWM) é uma técnica digital que controla um sinal ligando-o e desligando-o repetidamente em um padrão. A quantidade de tempo em que o sinal permanece ligado e desligado é chamada de ciclo de trabalho (duty cycle). A PWM é usada para criar sinais analógicos a partir de sinais digitais.

Funcionamento da PWM:

Um sinal digital é ligado e desligado, sendo a duração do tempo “ligado” variável. O ciclo de trabalho é a razão entre o tempo ligado e o tempo desligado e determina a tensão média do sinal.

Aplicações da PWM:

A PWM pode ser utilizada para controlar a velocidade do eixo de motores CC, que são usados em muitas aplicações, como pequenos brinquedos, modelos e robôs, na variação da intensidade luminosa, em efeitos sonoros, criando sons que ficam cada vez mais altos e mais baixos.

Alguns parâmetros da PWM:

Os dois parâmetros principais de um sinal PWM são a frequência e o ciclo de trabalho. Os ciclos de trabalho são frequentemente expressos como porcentagens, assim, podendo variar entre 0 e 100% do período do sinal.

Os microcontroladores possuem funções integradas que podem ser utilizadas para gerar um sinal PWM, entretanto, há circuitos integrados dedicados que são projetados exclusivamente para fornecer um sinal PWM para o controle de potência, a exemplo dos conversores chaveados em alta frequência, como é o caso das famílias UC384x, UC3854, UC3524, UC3525, entre outros.

Vamos analisar o caso do UC3524, que tem grande difusão e uso popular em projetos de fontes de alimentação chaveadas. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos do UC3524.

 

Figura 1 – Diagrama de blocos do UC3524.

Fonte: Texas Instruments Incorporated (2002, p. 1).

O UC3524 é um circuito de controle regulador de tensão com modulação por largura de pulso de frequência fixa. O regulador opera em uma frequência programada por um resistor de temporização (RT) e um capacitor de temporização (CT). O RT estabelece uma corrente de carga constante para o CT. Isso resulta em uma rampa de tensão linear no CT, que é alimentada ao comparador, fornecendo controle linear da largura de pulso de saída pelo amplificador de erro.

O UC3524 contém um regulador de 5 V integrado que serve como referência, além de alimentar o circuito de controle interno, sendo também útil no fornecimento de funções de suporte externo.

Essa tensão de referência é reduzida externamente por um divisor de resistor para fornecer uma referência dentro da faixa de modo comum do amplificador de erro, ou uma referência externa pode ser utilizada.

A saída da fonte de alimentação é detectada por uma segunda rede divisora de resistores para gerar um sinal de realimentação para o amplificador de erro. A tensão de saída do amplificador é então comparada à rampa de tensão linear no CT.

O pulso modulado resultante do comparador de alto ganho é então direcionado para o transistor de passagem de saída apropriado (Q1 ou Q2) pelo flip-flop de direcionamento de pulso, que é alternado de forma sincronizada pela saída do oscilador.

O pulso de saída do oscilador também serve como um pulso de apagamento para garantir que ambas as saídas nunca sejam ligadas simultaneamente durante os tempos de transição.

A saída do amplificador de erro compartilha uma entrada comum para o comparador com o circuito de limitação e desligamento de corrente e pode ser sobreposta por sinais de qualquer uma dessas entradas. Esse ponto comum também está disponível externamente e pode ser empregado para controlar o ganho ou compensar o amplificador de erro ou para fornecer controle adicional ao regulador.

Fonte: TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED. UC1524, UC2524, UC3524 - Advanced Regulating Pulse Width Modulators. Dallas: Texas Instruments, 2002.

 

Atividade MAPA

Com base no conhecimento da PWM e do exemplo dado, analise o circuito a seguir dado na Figura 2:

 

Figura 2  − PWM com NE555.

Na Figura 2 temos um timer NE555 atuando como gerador de PWM.

1) (1,0 ponto). O estudante deverá montar o circuito e simulá-lo no ambiente LTSpice conforme apresentado e obter as formas de onda dos pontos identificados:

 - Pulso_de_trigger.

- MODULAÇÃO.

- V_C1.

- Vout.

Observação: o circuito montado pelo estudante deve ser anexado na resposta dessa questão.

2) O estudante deverá realizar o agendamento de prática no seu polo de apoio presencial e:

a) (0,5 ponto). Realizar o experimento utilizando a maleta de eletrônica analógica com os recursos disponíveis nela, podendo variar os valores de resistor e capacitor para valores próximos caso necessário, obtendo cada forma de onda de acordo com os itens da questão 1.

Para essa etapa da atividade, o estudante ou sua equipe formada por até cinco estudantes deverá realizar o experimento e registrá-lo por meio de foto digital (pode utilizar smartphone). A foto deverá ser anexada nesta questão. 

Observação: mesmo que a atividade seja realizada em equipe, cada estudante deverá entregar o seu próprio arquivo MAPA de forma individual.

Dicas:

- Para gerar os sinais, o estudante deve utilizar o gerador de funções AFG1022 com dois canais de saída, sendo um para a MODULAÇÃO e o outro para o Pulso_de_trigger.

- Utilizar o osciloscópio digital para capturar as formas de onda do circuito.

b) (1,0 ponto). Uma vez montado o circuito, o estudante deverá apresentar as formas de onda dos mesmos pontos da questão 1 (Pulso_de_trigger, MODULAÇÃO, V_C1 e Vout), só que agora a partir do circuito físico.

3. (1,0 ponto). O estudante deverá explicar o que significa cada sinal obtido na questão 2 e sua relação na PWM.

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MAPA - ELETRÔNICA ANALÓGICA - 51_2026

 

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Funcionamento da PWM:
Um sinal digital é ligado e desligado, sendo a duração do tempo “ligado” variável. O ciclo de trabalho é a razão entre o tempo ligado e o tempo desligado e determina a tensão média do sinal.

Aplicações da PWM:
A PWM pode ser utilizada para controlar a velocidade do eixo de motores CC, que são usados ​​em muitas aplicações, como pequenos brinquedos, modelos e robôs, na variação da intensidade luminosa, em efeitos sonoros, criando sons que ficam cada vez mais altos e mais baixos.

Alguns parâmetros da PWM:
Os dois parâmetros principais de um sinal PWM são a frequência e o ciclo de trabalho. Os ciclos de trabalho são frequentemente expressos como porcentagens, assim, podendo variar entre 0 e 100% do período do sinal.
Os microcontroladores possuem funções integradas que podem ser utilizadas para gerar um sinal PWM, entretanto, há circuitos integrados dedicados que são projetados exclusivamente para fornecer um sinal PWM para o controle de potência, a exemplo dos conversores chaveados em alta frequência, como é o caso das famílias UC384x, UC3854, UC3524, UC3525, entre outros.
Vamos analisar o caso do UC3524, que tem grande difusão e uso popular em projetos de fontes de alimentação chaveadas. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos do UC3524.


Figura 1 – Diagrama de blocos do UC3524.
Fonte: Texas Instruments Incorporated (2002, p. 1).

O UC3524 é um circuito de controle regulador de tensão com modulação por largura de pulso de frequência fixa. O regulador opera em uma frequência programada por um resistor de temporização (RT) e um capacitor de temporização (CT). O RT estabelece uma corrente de carga constante para o CT. Isso resulta em uma rampa de tensão linear no CT, que é alimentada ao comparador, fornecendo controle linear da largura de pulso de saída pelo amplificador de erro.
O UC3524 contém um regulador de 5 V integrado que serve como referência, além de alimentar o circuito de controle interno, sendo também útil no fornecimento de funções de suporte externo.
Essa tensão de referência é reduzida externamente por um divisor de resistor para fornecer uma referência dentro da faixa de modo comum do amplificador de erro, ou uma referência externa pode ser utilizada.
A saída da fonte de alimentação é detectada por uma segunda rede divisora ​​de resistores para gerar um sinal de realimentação para o amplificador de erro. A tensão de saída do amplificador é então comparada à rampa de tensão linear no CT.
O pulso modulado resultante do comparador de alto ganho é então direcionado para o transistor de passagem de saída apropriado (Q1 ou Q2) pelo flip-flop de direcionamento de pulso, que é alternado de forma sincronizada pela saída do oscilador.
O pulso de saída do oscilador também serve como um pulso de apagamento para garantir que ambas as saídas nunca sejam ligadas simultaneamente durante os tempos de transição.
A saída do amplificador de erro compartilha uma entrada comum para o comparador com o circuito de limitação e desligamento de corrente e pode ser sobreposta por sinais de qualquer uma dessas entradas. Esse ponto comum também está disponível externamente e pode ser empregado para controlar o ganho ou compensar o amplificador de erro ou para fornecer controle adicional ao regulador.

Fonte: TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED. UC1524, UC2524, UC3524 - Advanced Regulating Pulse Width Modulators. Dallas: Texas Instruments, 2002.
 
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Com base no conhecimento da PWM e do exemplo dado, analise o circuito a seguir dado na Figura 2:

Figura 2  − PWM com NE555.

Na Figura 2 temos um timer NE555 atuando como gerador de PWM.

1) (1,0 ponto). O estudante deverá montar o circuito e simulá-lo no ambiente LTSpice conforme apresentado e obter as formas de onda dos pontos identificados:
 - Pulso_de_trigger.
- MODULAÇÃO.
- V_C1.
- Vout.
Observação: o circuito montado pelo estudante deve ser anexado na resposta dessa questão.

2) O estudante deverá realizar o agendamento de prática no seu polo de apoio presencial e:
a) (0,5 ponto). Realizar o experimento utilizando a maleta de eletrônica analógica com os recursos disponíveis nela, podendo variar os valores de resistor e capacitor para valores próximos caso necessário, obtendo cada forma de onda de acordo com os itens da questão 1.
Para essa etapa da atividade, o estudante ou sua equipe formada por até cinco estudantes deverá realizar o experimento e registrá-lo por meio de foto digital (pode utilizar smartphone). A foto deverá ser anexada nesta questão. 

Observação: mesmo que a atividade seja realizada em equipe, cada estudante deverá entregar o seu próprio arquivo MAPA de forma individual.
Dicas:
- Para gerar os sinais, o estudante deve utilizar o gerador de funções AFG1022 com dois canais de saída, sendo um para a MODULAÇÃO e o outro para o Pulso_de_trigger.
- Utilizar o osciloscópio digital para capturar as formas de onda do circuito.
b) (1,0 ponto). Uma vez montado o circuito, o estudante deverá apresentar as formas de onda dos mesmos pontos da questão 1 (Pulso_de_trigger, MODULAÇÃO, V_C1 e Vout), só que agora a partir do circuito físico.
3. (1,0 ponto). O estudante deverá explicar o que significa cada sinal obtido na questão 2 e sua relação na PWM.

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