(Enem PPL 2023). Na última década, para melhorar a performance dos motores a combustão e reduzir o consumo, a indústria automobilística tem investido cada vez mais no desenvolvimento dos turbocompressores. O turbocompressor é formado por duas câmaras distintas, chamadas caixa fria e caixa quente. No interior de cada uma dessas caixas, existe um rotor e ambos são interligados por um mesmo eixo. Com a caixa quente instalada no coletor de escapamento, a passagem dos gases faz girar o rotor. Consequentemente, gira também o rotor da caixa fria, produzindo a compressão. Em alguns modelos, é instalado, entre a turbina e a câmara de explosão, um dispositivo denominado intercooler, que é reconhecido como um dos componentes principais para melhorar a performance dos motores turbo. O intercooler é uma espécie de radiador ou, mais especificamente, um permutador de calor. Ele é posicionado entre o turbo e o coletor de admissão, tendo como uma das principais vantagens a redução da temperatura do ar quente que sai do turbo.
Disponível em: www.turbocenter.com.br. Acesso em: 21 nov. 2019 (adaptado).
O ar que sai do turbo está em alta porque
a) Sofreu uma compressão isocórica
b) Sofreu uma compressão adiabática
c) Sofreu uma transformação isotérmica
d) Recebeu calor diretamente dos gases aquecidos do sistema de escape
e) Recebeu diretamente calor do motor a combustão que está a alta temperatura
O ar que sai do turbo está em alta porque
a) Sofreu uma compressão isocórica
b) Sofreu uma compressão adiabática
c) Sofreu uma transformação isotérmica
d) Recebeu calor diretamente dos gases aquecidos do sistema de escape
e) Recebeu diretamente calor do motor a combustão que está a alta temperatura
Passo 1
O enunciado pergunta por que o ar que sai do turbo está em alta temperatura e apresenta as alternativas a)–e). Vou listar o que é pedido e as alternativas (copiadas do enunciado):
- Pergunta: O ar que sai do turbo está em alta porque
a) Sofreu uma compressão isocórica
b) Sofreu uma compressão adiabática
c) Sofreu uma transformação isotérmica
d) Recebeu calor diretamente dos gases aquecidos do sistema de escape
e) Recebeu diretamente calor do motor a combustão que está a alta temperatura
Passo 2
Entendendo qualitativamente o que acontece no turbo (sem ainda decidir a alternativa): dentro do turbo há uma compressora (rotor na caixa fria) que acelera e comprime o ar de admissão. Quando um gás é comprimido (ou seja, quando sua pressão aumenta enquanto o fluxo é forçado a reduzir volume localmente), normalmente ocorre trabalho sendo realizado sobre o gás pelo rotor. Esse trabalho tende a aumentar a energia interna do gás e, portanto, sua temperatura. Isso já dá uma pista física: compressão costuma aquecer.
Passo 3
Agora vou usar a lei da termodinâmica que relaciona calor, trabalho e energia interna, explicando cada símbolo para ficar bem didático. A primeira lei (na forma usual) é:
onde
-
é a variação da energia interna do gás; -
é o calor recebido pelo gás (positivo se entra calor); -
é o trabalho realizado pelo gás sobre o meio (positivo quando o gás faz trabalho para fora).
Para um gás ideal monoatômico/diatômico/real em boa aproximação, a energia interna depende apenas da temperatura, e podemos escrever
onde
-
é o número de mols do gás; -
é a capacidade térmica molar a volume constante; -
é a variação de temperatura.
Juntando as duas equações: se um gás recebe trabalho (isto é, se o trabalho é feito sobre ele), então
(trabalho pelo gás) é negativo, e isso tende a tornar
positivo, ou seja, a temperatura aumenta. Em palavras simples: trabalho feito sobre o gás aumenta sua energia interna e aquece o gás, a menos que esse calor seja imediatamente retirado.
Passo 4
Definição e consequência de um processo adiabático: um processo adiabático é aquele em que não há troca de calor entre o gás e o ambiente, ou seja,
Substituindo em
obtém-se
. Para compressão, o trabalho realizado pelo gás
é negativo (pois o trabalho é feito sobre o gás), então
e
— logo a temperatura sobe.
Para um gás ideal sujeito a uma compressão adiabática reversível vale também a relação politrópica clássica
e a forma que relaciona temperatura e volume:
onde
é a razão de capacidades térmicas (
). Dessa última equação vem a relação entre temperaturas antes e depois da compressão:
Isto mostra quantitativamente que, se o volume diminui (
), então
. Exemplo numérico rápido: para ar seco
. Se a compressão reduz o volume pela metade (
), então
ou seja, temperatura aumenta cerca de
— um aquecimento significativo só por compressão adiabática.
Passo 5
Aplicando isso ao turbo e avaliando as alternativas:
- (a) Compressão isocórica significa volume constante. Se o volume não muda, não há compressão do tipo que aumenta pressão por redução de volume; portanto não descreve o que o compressor faz. Eliminar (a).
- (c) Transformação isotérmica significa temperatura constante. Isso só ocorreria se durante a compressão todo o calor gerado fosse removido instantaneamente (processo lento e com troca de calor), o que não é o caso no compressor do turbo (processo rápido, sem tempo para trocar calor). Eliminar (c).
- (d) Recebeu calor diretamente dos gases de escape: os gases de escape aquecem a turbina (caixa quente), que gira o eixo; esse eixo faz girar a compressora (caixa fria). Mas não há transferência direta e significativa de calor dos gases de escape para o ar comprimido pela compressora — o aquecimento do ar ocorre porque foi comprimido mecanicamente. Eliminar (d).
- (e) Recebeu diretamente calor do motor: semelhante ao item (d), o ar da compressora não recebe diretamente calor do motor; o aumento de temperatura é resultado da compressão mecânica. Eliminar (e).
- (b) Sofreu uma compressão adiabática: é a descrição que melhor explica por que o ar sai do compressor quente — trabalho feito sobre o ar, processo rápido com pouca troca de calor, logo temperatura sobe conforme a análise adiabática. Além disso, o fato de existir um intercooler (permutador de calor) instalado depois do turbo confirma que o ar chega quente por compressão e precisa ser resfriado antes de entrar no coletor de admissão.
Passo 6
Resumo final: a causa correta é que o ar foi comprimido pelo compressor do turbo, recebendo trabalho sobre ele e aquecendo-se de forma essencialmente adiabática (sem troca de calor significativa durante a compressão). Portanto escolha a alternativa correta.
Resposta
b)