8ạQuestão: Responda as seguintes questões.
O que podemos esperar da eficiência de um motor a combustão a 50.000 ft em comparação com a eficiência no nível do mar? Explique baseado na mecânica dos fluidos.

Passo 1

O enunciado pergunta como muda a eficiência de um motor a combustão (por exemplo, um motor de avião ou automóvel) quando ele opera a 50000 ft (~ 15000 m) em relação ao nível do mar. O conteúdo principal aqui é mecânica dos fluidos aplicada à admissão de ar e à transferência de calor num motor de combustão interna. Precisaremos dos conceitos de densidade do ar em função da altitude, eficiência volumétrica e número de Reynolds.

Passo 2

Determinar como a pressão e a densidade do ar caem com a altitude. Na tropopausa (~11 km) e acima, podemos usar um modelo simplificado de atmosfera padrão: a 15000 m a pressão está em torno de 12 % da pressão ao nível do mar e a densidade em torno de 18 %. Ou seja,
\rho_{\text{15 000\,m}}\approx 0{,}18\,\rho_0,
onde \rho_0\approx1{,}225\\ \mathrm{kg/m^3}.

Passo 3

Ver como a densidade reduzida impacta a massa de ar admitida por ciclo. A massa de ar interna ao cilindro vale
m_{\rm ar} = \rho\, V_{\rm deslocamento},
logo, com \rho reduzida a 18 %, cai proporcionalmente a massa de oxigênio disponível para a combustão. Isso diminui diretamente a potência gerada e também a eficiência volumétrica \eta_v.

Passo 4

Analisar perdas por atrito e transferência de calor via número de Reynolds. O número de Reynolds na admissão é
\mathrm{Re} = \frac{\rho\, U\, D}{\mu},
então, com \rho menor, \mathrm{Re} cai, aumentando a camada limite e as perdas de pressão por atrito nas tubulações. Além disso, menor densidade reduz as perdas de calor convectivo interno, mas esse efeito é secundário diante da perda de massa de ar.

Passo 5

Concluir o impacto na eficiência global do motor. A eficiência térmica ideal de um ciclo Otto ou Diesel depende basicamente da taxa de compressão, mas a eficiência real sofre com perdas de bombeamento (pushing losses) e com menor massa de ar. Assim, a eficiência global \eta_{\rm global} e a potência caem significativamente em altas altitudes. Tipicamente, espera-se uma queda de potência de até 80 % e aumento do consumo específico, ou seja, menor eficiência.

Resposta

Em 50000 ft a eficiência de um motor a combustão cai muito em comparação ao nível do mar, pois a grande redução de densidade do ar reduz proporcionalmente a massa de oxigênio admitida (queda de eficiência volumétrica), diminui o número de Reynolds (aumentando perdas por atrito) e eleva as perdas de bombeamento. Consequência: potência e eficiência global menores em altitude elevada.

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