Categorias
Artigos

O que são produtos da combustão?

Um motor a combustão interna aspira ar atmosférico, recebe uma adição de combustível, promove a combustão dessa mistura, realiza o seu trabalho, e depois joga os produtos da combustão na atmosfera. O que o motor descarrega não é ar e gotículas de combustíveis; os reagentes sofreram mudanças químicas, tanto que perderam energia no meio do caminho.

Quando eu comecei a estudar o assunto de combustão mais aprofundadamente para preparar as minhas disciplinas sobre o assunto, percebi o quanto é comum, em livros de termodinâmica, tratar do resultado da reação com um nome genérico como produtos da combustão, como se fosse uma substância química própria, cujas propriedades podem ser encontradas em tabelas. Acho que isso impede compreender de fato o assunto da combustão. O que acontece na queima de um combustível afeta a eficiência da máquina térmica que essa queima vai acionar, e são esses produtos que vão circular por motores e turbinas. Para estudar melhor os ciclos termodinâmicos, é preciso saber o que há ali dentro.

Recomendo a todos que se interessam pelo assunto de combustão, e a todos os meus estudantes, que leiam A História Química de uma Vela, onde Michael Faraday vai explicando e demonstrando passo a passo o que está acontecendo na combustão de uma vela.

Os produtos da combustão são gases, resultantes da oxidação do que há dentro do combustível com os componentes do ar atmosférico, que são basicamente gás oxigênio O2 e gás nitrogênio N2. A maioria dos combustíveis é baseado em hidrocarbonetos, então em primeiro lugar o carbono vai formar dióxido de carbono CO2 (que, surpreendentemente, não é um poluente, pois existe naturalmente na atmosfera; o problema é quando há CO2 em excesso). Se a combustão for defeituosa, vai faltar oxigênio, então vai haver liberação de fuligem – partículas sólidas de carvão. Faraday observou que são essas partículas que, quando ficam muito quentes, brilham muito quente e com uma chama laranja; uma chama “correta” é azul. Em condições ruins, pode haver também formação de monóxido de carbono CO, que é tóxico.

Se houver oxigênio demais, vai sobrar gás oxigênio nos produtos, e para prevenir os efeitos indesejados acima geralmente os processos de queima ocorrem com excesso de ar.

O nitrogênio do ar geralmente não participa da queima, a não ser em temperaturas muito altas (acima de 1800 ˚C). Na verdade, o nitrogênio, por ser muito pesado, acaba atuando como uma “esponja” térmica e sai muito quente da chama. Se a reação for quente demais, vai haver formação de óxidos NO e NO2; estes promovem chuva ácida quando se mistura com a umidade atmosférica. A chuva ácida também é uma consequência da formação de dióxido de enxofre, SO2, se o combustível contiver enxofre (os derivados líquidos de petróleo geralmente o tem).

Falando em umidade, a combustão do hidrogênio, além de produzir uma chama muito brilhante, também cria vapor d’água. Eu não sei isso é surpreendente só para mim; associamos água como algo que apaga o fogo, e não que é criada a partir do fogo. Faraday deu a receita fácil: retire água de uma fonte, ponha para ferver, e direcione o vapor para reagir com ferro; o ferro se oxida e sobre gás hidrogênio. Esse gás é a única substância que, ao se oxidar, produz apenas água; com as reações corretas, você retém o hidrogênio e reconstrui as moléculas de água usando o oxigênio atmosférico.

Então, agora você já sabe, produtos da combustão não são uma entidade, mas em geral uma mistura de fuligem, CO2, CO, SO2, O2, N2, NO, NO2 e H2O. Para entender o assunto, você precisa dar nome às coisas.

Categorias
Artigos

O Ciclo de Carnot não é o melhor ciclo

Você provavelmente foi enganado a vida toda.

Se o leitor ou leitora teve aulas de Física em algum momento da vida, deve ter ouvido falar do Ciclo de Carnot, o ciclo “ideal” de uma máquina térmica. Um motor de Carnot funciona da seguinte forma: aprisionamos uma quantidade de um gás dentro de um cilindro, como o de um motor automobilístico, que pode se expandir e contrair para movimentar um pistão (o leitor pode visualizar uma seringa, se ajudar). Esse gás inicialmente está em um volume pequeno e em uma temperatura muito alta (bastante comprimido). Se soltarmos o pistão, o gás vai se expandir e resfriar; para evitar que isso aconteça, colocamos esse cilindro em contato com um grande corpo quente na mesma temperatura do gás, que então vai manter a temperatura constante enquanto este se expande – mas aí vem o detalhe: nunca podemos deixar o gás se resfriar, então precisamos fazer isso de maneira infinitamente devagar: deixamos o gás quente empurrar o pistão por uma distância de um pentelhésimo, esperamos estabilizar a temperatura entre o gás e o corpo quente; e então repetimos o processo. Fazemos isso até atingir a variação de volume que quisermos (e que o cilindro comporta). Em seguida, envolvemos o cilindro com um material isolante e deixamos o gás quente (lembre-se, não deixamos a temperatura abaixar) se expandir até atingir um outro limite de temperatura. Nesse outro nível, agora invertemos os processos: nós comprimimos o gás frio de maneira infinitamente devagar para reduzir o seu volume sem aumentar a temperatura (pondo-o em contato com um grande corpo frio na mesma temperatura), e então isolamos o cilindro e comprimimos o conteúdo até atingir o volume e temperatura iniciais.

Como toda máquina térmica, um motor de Carnot absorve calor de uma fonte quente de energia, e isso na prática é feito com a queima de algum combustível em uma câmara de combustão ou uma fornalha. Quanto mais calor a máquina consome, mais combustível precisamos fornecer (e mais caro se torna o processo). Parte desse calor se transforma em movimento útil: o gás se expande em duas etapas (primeiramente de maneira isotérmica, com temperatura constante, e depois de maneira adiabática, onde o cilindro está isolado), e esse movimento pode ser usado para acionar alguma outra máquina (como uma simples roda que faz o carro andar); só não podemos esquecer que precisamos “pagar” parte desse trabalho de volta nas etapas de compressão. A diferença entre o calor fornecido e o trabalho líquido obtido é o calor que é rejeitado para a fonte fria. Chamamos de eficiência térmica a percentagem de quanto obtemos de trabalho útil, relativo ao quanto fornecemos de calor.

O Teorema de Carnot, consequência da Segunda Lei da Termodinâmica, estabelece que, dados dois limites de temperatura quente e fria, o ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente possível, entre todos os ciclos que se encaixem entre essas temperaturas.

Isso é um fato, e eu não discuto. O que me preocupa é ver os futuros engenheiros e engenheiras do Brasil analisar tudo que eu escrevi até agora e achar que o Ciclo de Carnot é o “melhor” ciclo e que então precisamos projetar todas as máquinas térmicas para seguirem o Ciclo de Carnot a todo custo.

Achar que o Ciclo de Carnot é o melhor ciclo esbarra naquilo que um grande professor meu chamava de Primeira Lei da Engenharia: depende. O Ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente – mas tudo que você quer é eficiência? Essa é a única métrica relevante?

O Ciclo de Carnot tem problemas e não é interessante como modelo de máquina térmica por três motivos:

1. O Ciclo de Carnot não consegue fornecer potência

Essa frase pode parecer absurda e mentirosa, e conseguir entendê-la é um grande passo para dominar engenharia de fato.

Quando descrevi o Ciclo de Carnot anteriormente, eu descrevi um ciclo. Começamos em um ponto e terminamos no mesmo ponto. Em seguida, completaríamos o mesmo ciclo, em seguida outro, e assim indefinidamente. Em cada ciclo, para cada unidade de calor, um motor de Carnot entrega a maior quantidade de trabalho possível.

Em Engenharia, precisamos ser práticos. E um detalhe prático que vejo poucas pessoas discutirem é: quanto tempo demora para completar um ciclo? Isso não é um detalhe meramente teórico: o motor do seu carro completa milhares de ciclos por minuto (os “RPM” que o tacômetro mostra), e é isso que permite o carro se movimentar e acionar todos os equipamentos veiculares. Um ciclo “perfeito” que demora um tempo infinito para completar não serve de nada – e é justamente isso que o Ciclo de Carnot faz. Reparem na descrição do início desse texto: para se expandir sem alterar a temperatura, o pistão se move infinitamente devagar, e portanto demora um tempo infinito – para completar apenas um processo.

O Ciclo de Carnot é um ciclo de potência nula porque entrega uma quantidade finita de trabalho em um tempo infinito [1]. Se você construísse um motor de carro de Carnot, você veria o pistão se movendo muito devagar. Para se mover de Florianópolis a Joinville, ele é muito econômico – mas o universo implodiu antes de isso acontecer.

2. O Ciclo de Carnot exige equipamentos ou processos impossíveis

A leitora pode estar tentada a achar que existe uma maneira de evitar o problema acima, que seria substituir o sistema pistão-cilindro por um sistema baseado em compressores e turbinas, que funcionam de maneira contínua. Se você alterar a rotação do compressor, em tese você consegue acelerar o escoamento do fluido e abreviar o tempo de completar um ciclo. As etapas de transferência de calor isotérmicas agora vão acontecer em trocadores de calor, como condensadores e caldeiras de usinas termelétricas; só que, para evitar a diferença de temperaturas entre as fontes e o fluido, o trocador precisa ter uma área infinita, que além de ter um custo infinito, continuam a requerer um tempo infinito para o fluido escoar pelos seus tubos. A potência continua a ser nula.

Vamos por um momento ignorar isso e assumir que a temperatura só precisa ficar constante, podendo ser diferente da temperatura da fonte quente; assim, não precisamos de uma área infinita. Essa constância pode ser alcançada com processos de mudança de fase (evaporação e condensação), que são comumente empregados em usinas termelétricas. Considere um Ciclo de Carnot e um Ciclo de Rankine (o ciclo das usinas termelétricas) simples, ambos delimitados pelos mesmos limites de temperatura:

Ciclo Rankine: 1-2-B-3-4-A-1; Ciclo de Carnot: A-B-3-4-A

Graficamente, pode-se ver que o Ciclo de Rankine tem uma área maior (o trecho 1-2-B-A-1), e portanto consegue mais potência. Vamos estimar que o Ciclo de Carnot entrega metade da potência do Ciclo de Rankine – a questão é que ele precisa de menos da metade do calor, sendo portanto mais eficiente.

A leitora astuta deve ter percebido que há um jeito de fazer o Ciclo de Carnot ser mais potente:

Ciclo Rankine: 1-2-C-3-4-1; Ciclo de Carnot: 1-2-B-C-3-4-1.

O problema é o processo B-C: precisamos transferir calor para a água, que escoa continuamente, enquanto a sua pressão abaixa – e não podemos deixar a temperatura mudar. Isso não pode ser feito com a tecnologia atual. Um ciclo ideal que não pode ser implementado não tem valia alguma em Engenharia.

3. O Ciclo de Carnot requer uma variação de volume absurda

Vamos voltar ao sistema pistão cilindro. O Ciclo de Carnot em um sistema fechado segue o ciclo 1-2-3-4-1 mostrado abaixo:

O problema desse ciclo é que, lembremos, temos duas variações de volume. A variação de 1 para 2 geralmente é controlada, mas a de 2 para 3 explode. Eu fiz algumas contas: se durante o processo 1-2 o volume dobra, durante 2-3 o volume aumenta em cerca de 30 vezes – o que dá um aumento total de cerca de 60 vezes. Em comparação, motores Diesel muito grandes têm uma variação de volume de cerca de 20.

O que podemos aprender com o Ciclo de Carnot

Talvez não tenha ficado claro, mas eu não tenho nada contra o Ciclo de Carnot. Ele é um modelo teórico interessante, e sempre começo as minhas disciplinas falando dele. Em particular, o seu estudo nos leva a focar em perdas. Se o ciclo de Carnot é maximamente eficiente porque a transferência de calor é isotérmica, o fato de termos que aquecer a água fria até se tornar um vapor quente para movimentar uma turbina é um preço que temos de pagar para poder criar um ciclo factível. Se a etapa seguinte precisa ser adiabática para ser eficiente, então cada perda de calor na turbina – ou na tubulação que leva vapor à turbina – é uma perda de potência.

Aprender a identificar esses detalhes relevantes nos faz melhores engenheiros.

O que podemos aprender com esse post sobre o Ciclo de Carnot

Na minha tenra adolescência, eu fiz um curso de fotografia, e o instrutor fez a revelação de que, para fazer fotos melhores, nós precisamos pensar.

Repetir roboticamente que o Ciclo de Carnot é um ciclo ideal nos impede de ver esses detalhes que são importantes. Focar na eficiência nos previne de pensar sobre potência e utilidade dos motores. Conhecimento superficial não conta.

No seu campo, que tipo de conhecimento automático o leitor anda assumindo que pode ser re-avaliado para melhorar a qualidade do seu trabalho?

Referências

[1]: Curzon, F. L; Ahlborn, B. Efficiency of a Carnot Engine at Maximum Power Output. American Journal of Physics 43, 22 (1975). doi: 10.1119/1.10023

Categorias
Artigos

Disciplina de Refrigeração: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

Posts anteriores:

  1. Transferência de Calor e Massa I
  2. Geração de Energia I
  3. Máquinas Térmicas
  4. Máquinas Térmicas I

Na disciplina de Refrigeração: estudamos basicamente geladeiras e condicionadores de ar: quais fluidos são usados, que componentes existem, como funciona um sistema, como melhorar.

É basicamente o inverso da disciplina de Máquinas Térmicas: lá, aquecemos algo e ganhamos potência; aqui, damos potência para resfriar algo. Inclusive, os estudantes cursam as duas disciplinas no mesmo período, e acho que deve ser interessante para eles compararem os dois tipos de sistemas em paralelo. Se ter o mesmo professor nas duas disciplinas é uma boa ideia é um problema ainda em aberto na literatura.

O que tem dado certo em Refrigeração

Uma pequena história: quando eu fui contratado no meu emprego atual, eu tinha certeza de que daria aulas de Refrigeração (a prova escrita era praticamente só sobre isso). Decepcionei-me momentaneamente quando, no decorrer do processo de admissão e entrega de documentos, descobri que não seria o caso – apenas para algumas semanas depois, saber que havia um erro e sim, eu seria professor de Refrigeração. Sinceramente, parecia um sonho: dar aulas do meu assunto de estudo em toda a minha vida profissional.

Empolgado com isso, acho que foi a disciplina melhor preparada no meu primeiro semestre. No semestre seguinte, sinto confessar que deixei a preparação meio de lado e me dedicava o mínimo necessário, para dar tempo de arrumar outras disciplinas que não haviam recebido muita atenção no primeiro semestre. No semestre seguinte a esse (meu terceiro semestre, se o leitor perdeu a conta), resolvi que era hora de me dedicar mais a esse assunto. Maneira totalmente não científica de verificar o resultado desse esforço: recebi muitos convites para orientar TCCs (que infelizmente não posso aceitar na minha posição de professor substituto), todos de alunos de Refrigeração.

Esse é o principal sucesso da disciplina de Refrigeração: eu amo esse assunto, tenho uma certa experiência, e deixo transparecer isso nas aulas.

Também acho que fui feliz na escolha de avaliações: em cada semestre, passo um tema de seminários. No primeiro semestre os alunos descreveram em detalhes um sistema de refrigeração e mergulharam nos diferentes componentes; no semestre passado, falamos de tecnologias alternativas (que não usam compressor), e nesse exploramos diferentes fluidos refrigerantes.

Desafios atuais em aulas remotas de Refrigeração

Eu posso resumir o problema de Refrigeração dizendo que ela está boa do jeito que está, mas está desatualizada; está muito teórica, e pouco prática. Nós falamos de modelos de compressores, mas não exploramos catálogos reais. Resolvemos exercícios “à mão” (i.e. eu escrevo as equações e resultados comum Apple Pencil no meu iPad e projeto isso na vídeo-conferência) com os mesmos fluidos de sempre, que aparecem em textos de termodinâmica, mas que muitas vezes não são mais usados.

E todas essas informações estão disponíveis na internet! Com um pouco de esforço de preparação de aulas, é possível alterar entre uma apresentação de slides com teoria, um arquivo em PDF com um catálogo de algum componente, e uma simples planilha onde calculamos o desempenho de um sistema real usando dados desse catálogo.

Não há dúvidas para mim que as aulas presenciais fazem falta, mas acho que, com esforço, esse pode ser o curso mais propício a aulas remotos, com esse foco em usar tecnologia atual (mas acessível) para analisar sistemas atuais.

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Refrigeração

  1. Explorar, junto com os alunos, catálogos reais de componentes e como podemos extrair dados importantes deles;
  2. Apresentar técnicas mais modernas de simulação de sistemas;
  3. Diversificar problemas e exercícios em aula com fluidos mais usados atualmente.

Os leitores acham que são boas ideias?

Categorias
Artigos

Disciplina de Máquinas Térmicas I: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

Posts anteriores:

  1. Transferência de Calor e Massa I
  2. Geração de Energia I
  3. Máquinas Térmicas

Sim, eu dou aulas de uma disciplina (obrigatória) de Máquinas Térmicas, e de uma disciplina (optativa) de Máquinas Térmicas I. Sim, eu também me confundo. Sim, eu também acho que ela poderia ter outro nome.

Como o nome já indica, essa é uma disciplina de continuação de Máquinas Térmicas. Aqui focamos exclusivamente em motores de combustão interna, e temos três eixos de assuntos bastante relevantes atualmente: aumento de eficiência, controle de emissões e sobrealimentação de motores (popularmente conhecidos como “motores turbo”).

O que tem dado certo em Máquinas Térmicas I

De longe, essa disciplina é a que tem mais engajamento dos alunos, onde as aulas são mais interativas, onde os trabalhos apresentados têm a maior qualidade. Um fato é patente: os estudantes se interessam pelo assunto e querem saber mais. Nós focamos em duas tecnologias que têm sido bastante empregadas por fabricantes de carros: carros híbridos e carros turbo; sobre este último tópico, assim como adoro assistir os projetos de trocadores de calor, aqui também é ótimo ver como os grupos de futuros engenheiros e engenheiras coletarem dados de um motor existente e projetarem um sistema para aumentar a sua potência.

Nós não falamos de “assuntos clássicos” de livros-texto. O que nós estudamos está de fato acontecendo no mercado.

Desafios atuais em aulas remotas de Máquinas Térmicas I

Simplesmente, eu não sei tanto do assunto quanto os alunos gostariam que eu soubesse.

O antigo professor dessa disciplina era especialista no assunto. Para mim, todos os assuntos são novos, então eu ainda estou no modo “correndo atrás”. O que falei acima sobre “não estar nos livros” é uma desvantagem também: eu estou meio que escrevendo o livro-texto na forma das minhas notas (sim, eu sonho em montar uma apostila), a partir de fontes muito diversas (alguns tópicos estão em livros, outros em artigos, algumas coisas só aparecem em catálogos). Acho que, depois de 3 semestres ministrando essa disciplina, está na hora de parar e me re-atualizar e me aprofundar nesse pseudo livro-texto. Está faltando profundidade nessa disciplina.

Como essa é uma das minhas duas disciplinas optativas, em 2021-2 quero também experimentar um retorno gradual às aulas presenciais (autorizado pelo meu departamento). Minha ideia é dividir a disciplina em duas partes:

  1. Nas primeiras semanas, focar nos cálculos termodinâmicos e simulações de maneira remota, mais ou menos seguindo o plano da disciplina obrigatória mas de maneira mais avançada;
  2. Na segunda parte do semestre, os alunos devem projetar um sistema de sobrealimentação; aqui pode ser útil promover espaços de discussão ao vivo em sala de aula, e acompanhar mais de perto os projetos dos estudantes.

Por fim, há algumas aulas dedicadas a tópicos mais “discursivos”, como os métodos de medições de emissões e as legislações regulatórias. Como apresentar isso de maneira interessante?

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Máquinas Térmicas I

  1. Atualizar-me (principalmente com artigos) dos desenvolvimentos mais recentes dos assuntos tratados, e levar esses ensinamentos para a turma;
  2. Dedicar mais tempo para explorar catálogos de turbocompressores e analisá-los em sala de aula;
  3. Aprofundar-me na teoria, para trazer análises com mais profundidade.

Os leitores acham que são boas ideias?

Categorias
Artigos

Disciplina de Máquinas Térmicas: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

Posts anteriores:

  1. Transferência de Calor e Massa I
  2. Geração de Energia I

Para os não-engenheiros: uma máquina térmica é um dispositivo que converte calor (de maneira geral, a queima de alguma coisa) em trabalho (de maneira geral, o giro de alguma coisa).

Existe uma corrente de pensamento que diz que essa disciplina deve focar em motores de carros – de fato, as máquinas térmicas mais populares. Porém, existem outras máquinas térmicas relevantes: usinas termelétricas (abordadadas em mais profundidade no curso de Geração de Energia I) e turbinas de aviões são outros exemplos canônicos. Na minha maneira de ministrar essa disciplina, eu faço questão de passar por todos os tipos e salientar diferenças e semelhanças.

O que tem dado certo em Máquinas Térmicas

No nosso curso, dividimos essa disciplina em aulas teóricas e práticas. Nas aulas práticas não há dúvidas: são aulas sobre o funcionamento e componentes de motores de combustão interna, até por uma questão de infraestrutura: nós temos uma oficina com vários exemplares de motores e peças, mas não temos turbinas.

Eu ministrei apenas a parte prática desse curso durante o ano de 2020, e, no primeiro semestre de 2021, assumi também a parte teórica. Assim, ainda estou me adaptando.

A cadeira (alguém ainda fala isso?) de Máquinas Térmicas é uma disciplina obrigatória de 8a fase, e existe uma disciplina de continuação optativa, sobre a qual vou falar em outro texto. Mas vou dizer isso desde já: neste outro curso, na primeira aula eu geralmente pergunto aos estudantes por que eles escolheram essa disciplina eletiva (sempre na esperança de que alguém vai dizer algo diferente de “para conseguir créditos e me formar”), e uma resposta comum tem sido “porque eu gostava das aulas práticas da disciplina obrigatória”. Claramente, algo tem dado certo!

Acho que o primeiro ponto a se observar no sucesso é devido ao puro esforço. Na linha do que já falei antes: eu não dou ênfase em motores automotivos porque eu não sei quase nada sobre o assunto. A minha área de pesquisa sempre foi a Refrigeração, eu tive de estudar muito sobre o assunto.

Existe o conceito de memória de trabalho de longo prazo [1]: um meio termo entre a memória de curto prazo (de acesso rápido, mas que não perdura, como ir para a cozinha preparar o almoço, e de noite não lembrar do que almocei), e a memória de longo prazo (meu endereço, minha data de nascimento – coisas que ficam gravadas mas que não são de acesso imediato).

A disciplina de Máquinas Térmicas é um exemplo perfeito de como essa memória funciona: em aulas eu respondo perguntas que eu jamais saberia responder há 2 anos, e consigo responder de maneira rápida. Eu estudei tanto que os assuntos ficaram nessa área do meu cérebro facilmente acessada. Porém, assim que eu parar de ministrar essa disciplina (se isso acontecer), provavelmente vou esquecer tudo.

Acho que consegui passar bem para a forma remota as aulas práticas. Em vez de ir num laboratório ver motores, eu tento passar o máximo possível de animações, fotos e vídeos de equipamentos. Não é a mesma coisa que ver “ao vivo”, mas por outro lado temos oportunidades de ver experimentos que não teríamos condições de fazer na nossa oficina. Portanto, isso tem sido bom.

Quanto às aulas teóricas, o primeiro semestre onde ministrei essas aulas ainda nem terminou, por isso ainda não tenho muito feedback. Mas acho que conseguimos cobrir todos os tópicos num ritmo decente.

Desafios atuais em aulas remotas de Máquinas Térmicas

Há um problema semelhante a Transferência de Calor e Massa I: como resolver exercícios de maneira mais dinâmica – e, principalmente, mais inteligente. Essa é uma disciplina na verdade da última fase de “conteúdo” do curso – após isso, os alunos e alunas geralmente saem para estágio e escrevem o seu TCC. Existen questões básicas desse assunto que nunca morrem: como desenvolver Máquinas Térmicas mais eficientes e mais potentes? É esse o desafio: como preparar engenheiros do futuro para atacar isso. Nós provavelmente vamos ver na próxima década uma ascenção de biocombustíveis, que são menos potentes que combustíveis fósseis; estamos prontos para contornar essa diferença?

Naturalmente há ajustes nas aulas teóricas quanto à distribuição dos conteúdos. Apesar da minha firmeza em não dedicar a disciplina inteira a automóveis, a verdade é que esse assunto ocupa muito tempo e acaba faltando para outros assuntos.

À medida que escrevo essas palavras, percebo que, entre todos os meus cursos, esse é onde há a maior possibilidade de professor e estudantes construírem juntos a disciplina. Um problema logístico na análise aprofundada de máquinas térmicas é a simulação computacional de fluidos, que exige programas dedicados a que estudantes de graduação não tem acesso ou oportunidade de explorar. Mas eu tenho acesso a esses programas, posso gerar resultados, e mostrar para todos: e aí, o que esses dados querem dizer?

Similarmente nas aulas práticas, está na hora de fazer os alunos mergulharem nos equipamentos como eu mergulhei – e agora eu posso guiá-los melhor.

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Máquinas Térmicas

  1. Criar programas junto com os alunos de simulação de máquinas térmicas e propôr diferentes análises a serem feitas quanto a tópicos relevantes: eficiência, potência, consumo de combustível;
  2. Guiar alunos na busca de dados experimentais sobre cada subsistema de motores automobilísticos;
  3. Dedicar mais aulas síncronas e atividades assíncronas à análise da combustão, super importante para cálculos de consumo e emissões, e que ficou bastante corrido nesse semestre.

Os leitores acham que são boas ideias?

Referências

[1]: Beaudoin, L. P. Cognitive Productivity: Using Knowledge to Become Profoundly Effective. [s.l]: publicação independente, 2016. Disponível em http://leanpub.com/cognitiveproductivity. Acesso em 04 de maio de 2021.

Categorias
Artigos

Disciplina de Geração de Energia I: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

Posts anteriores:

  1. Transferência de Calor e Massa I

Essa é a uma de duas disciplinas optativas que ministro, geralmente cursadas pelos estudantes que estão para se formar. Aqui estudamos usinas termelétricas e sistemas de geração de vapor.

O que tem dado certo em Geração de Energia I

Pouca coisa, sinceramente, e essa disciplina é a que mais precisa ser melhorada.

Um ponto positivo é que essa disciplina é uma oportunidade de integrar conhecimentos diversos de outras disciplinas. Em um semestre, nós:

  • Desenhamos um ciclo termodinâmico adequada para uma usina;
  • Calculamos quanto de ar e combustível é necessário para fazê-la funcionar;
  • Dimensionamos o tamanho dos trocadores de calor, das bombas, e da chaminé;
  • Escolhemos materiais e válvulas.

Certamente deve ajudar muito sair da faculdade tendo essa visão geral de um projeto desse porte (ainda que bastante simplificado).

Desafios atuais em aulas remotas de Geração de Energia I

Essa disciplina está muito pesada. Como falei acima, é bem legal poder integrar tudo em um curso só, mas os alunos (e o professor) ficam exaustos.

Aulas remotas são menos efetivas na transmissão de conhecimento, na minha percepção, e é preciso baixar um pouco a dificuldade. Nas aulas, devo tratar dos assuntos com mais calma, e explorar mais exemplos, ainda que seja necessário cortar alguns tópicos.

Aqui o problema é similar a Transferência de Calor e Massa I: preciso pensar sobre e introduzir maneiras computacionais de calcular propriedades de fluidos, para não ficar lendo tabelas na aula, e usar melhor ferramentas computacionais para resolver exercícios de projeto.

Em 2021-2, meu planejamento é quebrar disciplina em duas partes: uma etapa de aulas remotas, focada nos cálculos termodinâmicos e de combustão (que deve ser mais fácil pelos alunos já terem experiência de outras disciplinas), e uma presencial introduzindo o dimensionamento e seleção de equipamentos, consideravelmente mais complexa em que discussões ao vivo devem ajuda bastante.

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Geração de Energia I

  1. Utilizar ferramentas computacionais, incluindo Aprendizado de Máquina, para tornar a análise de problemas de projeto e cálculo mais dinâmica;
  2. Rebalancear a dificuldade das avaliações, e promover mais listas de exercícios de treinos;
  3. Eliminar alguns conteúdos para ter mais tempo de discutir os projetos.

Os leitores acham que são boas ideias?

Referências

Categorias
Artigos

Disciplina de Transferência de Calor e Massa I: meus planos para melhorar

Este é parte de uma série de posts onde mostro meus planos para meu quarto semestre como professor de Engenharia Mecânica. Sugestões nos comentários são bem vindas!

A disciplina de Transferência de Calor e Massa I é uma disciplina intermediária de Engenharia Mecânica (na minha universidade, um curso de 6ª fase), onde os estudantes saem do esquema de Termodinâmica de “um estado final menos um estado inicial” e aprendem a calcular o que acontece no meio do caminho. Esta primeira disciplina do assunto cobre os mecanismos de condução unidimensional permanente e convecção monofásica; tradicionalmente, estudantes de Engenharia Mecânica cursam dois semestres de Transferência de Calor, sendo que as divisões variam entre universidades. Os assuntos restantes são condução bimensional e transiente, métodos numéricos, convecção com mudança de fase e radiação.

O que tem dado certo em Transferência de Calor e Massa I

Essa diferença de divisão se tornou um desafio, pois eu estudei de maneira diferente então não tive a reação automática de “foi assim que eu estudei, é assim que eu vou ensinar”. Porém, eu rapidamente percebi uma vantagem: essa é uma disciplina que culmina, muito naturalmente, em um projeto de trocador de calor. É um privilégio como professor assistir estudantes que estão ainda no meio do curso já conseguirem projetar um equipamento tão importante ao final do semestre. No início desse semestre, um aluno já avisou que estava ansioso em poder participar desse projeto. E deixe-me dizer: em sua maioria, os futuros engenheiros e engenharia conseguem fazer um projeto – simples, mas funcional.

Essa prática de promover desafios de projeto é um sucesso mesmo com aulas remotas, pois parece que os alunos conseguem se reunir virtualmente, pesquisar catálogos de tubos e materiais, procurar aplicações similares aos desafios propostos, montar planilhas, e ao final apresentar seu projeto em uma video-conferência.

Ensinar estudantes de Engenharia a integrar conceitos ao longo de aulas discretas em um sistema coerente é uma lacuna clássica da educação tecnológica [1], e eu fico feliz em tentar avançar nessa frente.

Desafios atuais em aulas remotas de Transferência de Calor e Massa I

O que não é fácil de ministrar de maneira remota é o que acontece até essa parte prática. De todos os meus cursos, este é onde há a maior carga matemática. Como mostrar uma dedução matemática de um perfil de temperatura numa aleta para alguém que provavelmente está com um laptop no colo (isso não é um julgamento; para muitos estudantes, sem acesso a uma sala de aula, essa é a única maneira de assistir aulas)?

Há uma abundância de livros-texto (e a nossa biblioteca está funcionando) e materiais disponíveis na internet sobre um assunto tão fundamental (o que não significa que ele é fácil), mas isso cria um perigo: que as aulas se tornem um ritual de resolução de exercícios sem pensar.

Isso me leva ao meu principal desafio, para o qual ainda não achei solução na minha ainda curta carreira de professor: como tornar as aulas verdadeiramente ativas?

Três passos que pretendo implementar para melhorar a disciplina de Transferência de Calor e Massa I

  1. Criar mais listas de exercícios desafiadores, fazendo delas um item de avaliação, e dedicar aulas a explorar esses exercícios;
  2. Propor mais avaliações onde os alunos tem de selecionar o problema relevante a ser resolvido, em vez de apenas resolver provas com o enunciado todo formulado;
  3. Ministrar aulas síncronas mais interativas e dinâmicas: enquetes no meio da aula, tempo para resolver um exercício (curto) e discutir os resultados em aula. Pretendo também resolver exercícios em sala de maneira computacional, aplicando conceitos de Aprendizado de Máquina e explorando melhor as relações entre variáveis: como a condutividade do ar realmente varia com a temperatura? Como a velocidade de um escoamento afeta a taxa total de transferência de calor? Estou inclusive fazendo um curso de OBS para aprender a alternar mais janelas e evitar o padrão atual de “apresentação de slides”.

Os leitores acham que são boas ideias?

Referências

[1]: Stoecker, W. F. Design of thermal systems. [sl]: McGraw-Hill, 1980.

Categorias
Artigos

O que é aprendizado de máquina (de acordo com um Engenheiro Mecânico)

Eu acabei de ganhar um prêmio por um trabalho que apresentei sobre Aprendizado de Máquina (Machine Learning), então eu deveria ser um especialista no assunto. Eu não sou, mas vou introduzir aqui o que penso sobre o assunto, como tenho aprendido, e como tenho usado na minha vida de Professor de Engenharia Mecânica.

Vamos ser francos: Aprendizado de Máquina é um termo científico que foi sequestrado por estratégias de marketing (o que em si não é ruim, pois – surpresa – cientistas gostam de ganhar dinheiro) e perdeu muito do seu signficado (o que é ruim). Como assim, máquinas aprendem? Isso significa que os robôs vão dominar o mundo? Todas as profissões estão fadadas à extinção?


Como aprendemos? Basicamente, treinamos um conceito, um método ou abordagem e testamos nossa abordagem com algum valor dito verdadeiro – na vida acadêmica, o gabarito da lista de exercícios; na vida real, comparamos com documentos históricos ou dados experimentais. Se erramos, precisamos corrigir nosso método e repetir.

Vamos pegar um exemplo que está na minha cabeça por causa das minhas aulas: desempenho de combustíveis. Um litro de gasolina libera mais energia, chamada de poder calorífico, que um um litro de etanol – não à toa, ela é mais cara. Mas o que exatamente provoca essa diferença? É porque a gasolina tem uma cor e o etanol outro? A gasolina vem do petróleo e o etanol da cana-de-açúcar?

Observando a estrutura química, eu proponho um modelo, uma tentativa de representação da realidade: o etanol tem mais oxigênio dissolvido que a gasolina (e isso pode ser verificado experimentalmente), então eu digo que o poder calorífico diminui com a presença de oxigênio no combustível.

Como posso testar isso? Uma abordagem simples seria pegar uma série de combustíveis, e separar em dois grupos: os que tem oxigênio e os que não tem. Vou fazer experimentos e medir o poder calorífico. Para cada par de combustível, um oxigenado e o outro não, o combustível com oxigênio tem de ser mais fraco que o outro. Se isso for verdade, eu aprendi um fato sobre combustíveis. Se não, tenho de propor outro modelo.

Um computador não pode olhar uma série de dados sobre combustíveis e adivinhar que os combustíveis oxigenados são mais fracos que os não-oxigenados, mas ele pode sistematicamente investigar essa hipótese; um computador pode facilmente ler um banco de dados de composição de combustíveis e fazer os cálculos. Ele pode ser programado também para testar uma enormidade de número de modelos, comparando todas as propriedades conhecidas dos combustíveis até descobrir qual a mais relevante para o poder calorífico. Importantemente, você pode alimentar o modelo com mais e mais dados de combustíveis, e não precisa re-programar o computador; ele refaz os cálculos automaticamente.

A ideia original, porém, foi minha. Em último grau, aprendizado de máquina é o meu aprendizado.


Eu comecei a estudar esse assunto quando um colega o introduziu no nosso grupo de pesquisa, baseado nos cursos que ele estava fazendo na época. Uma ideia que começou como uma “brincadeira” virou um trabalho premiado (que em breve vai virar um artigo publicado em um periódico importante). Assim é a ciência.

Como isso me afeta? Eu não sou Cientista da Computação, nem mesmo Cientista de Dados; sou Professor de Engenharia Mecânica. Para o semestre 2021-2 que se aproxima, meu objetivo principal é aplicar os conceitos de Aprendizado de Máquina em problemas reais, importantes de Engenharia Mecânica.

Engenheiros Mecânicos (e mesmo de outras áreas; eu estou falando dessa por ser a de mais afinidade para mim) lidam com dados o tempo todo. Em particular, nós precisamos lidar com catálogos de equipamentos o tempo todo; o que nós podemos aprender com esses dados? Se eu tenho dois catálogos de compressores na minha frente, como posso extrair dos dois o conhecimento de qual vai resultar num sistema mais eficiente?

Outra fonte importante de dados: tabelas de propriedades termofísicas. Eu realmente preciso parar de resolver exercícios interpolando valores nessa tabela à mão, e pensar mais sobre modelos. Como exatamente a condutividade térmica da água varia com a temperatura? Ela cresce ou diminui? Linearmente ou não?

Vou tentar documentar aqui os meus desenvolvimentos nessa área. As leitoras e leitores trabalham com Aprendizado de Máquina, e/ou querem aprender mais sobre o assunto?

Categorias
Artigos

Como eu atendo alunos remotamente

Ontem eu completei um ano como professor, e se posso resumir meus aprendizados numa frase de impacto para fingir que eu sou sábio, seria: Meu trabalho é ensinar alunos, e não dar aulas.

Com minha obsessão não saudável por produtividade, às vezes enxergo minha rotina como um processo industrial de preparar notas no Notion e slides no Keynote; estudo, escrevo, monto apresentações, seleciono exercícios, passo para o próximo tema. Ministrando cinco disciplinas e tendo um bebê para criar, às vezes ajuda ser focado assim; porém, de vez em quando tenho de parar e pensar: no que posso ajudar mais meus alunos? Todos esses processos garantem que meus alunos estão aprendendo? Se não, por mais que gaste horas na frente do computador, não estou realizando meu trabalho.

No meu primeiro semestre como professor, eu não tinha condições de manter nenhum tipo de office hours, tal era o volume de trabalho; quando necessário, eu atendia alunos ao final das aulas ou por email. Isso me incomodava bastante, de maneira que priorizei estabelecer uma maneira de ter horários regulares para estar disponível para os alunos para eles poderem perguntar o que for, sem estar limitado a 15 minutos aqui e ali.

Captura de tela do calendário, mostrando um evento “Atendimento alunos” entre 17:00 e 18:00

Minha solução para atender alunos remotamente: todas às segundas- e quintas-feiras, por uma hora em cada dia, eu estou disponível para um chat com meus alunos no Microsoft Teams, o sistema de reuniões que minha universidade utiliza. Eu periodicamente lembro os alunos desse esquema durante as aulas remotas, e passo todas as instruções. Como faço: eles devem sempre iniciar por texto, para evitar que algum aluno me ligue do nada e estou conversando com mais alguém.

Esse esquema tem funcionado muito bem, embora os atendimentos ainda sejam raros. Sei que meus horários ainda são parcos; esse é um esquema em desenvolvimento. Mas o que me deixa contente é que eu consegui priorizar isso, mesmo supostamente não tendo 2 horas por semana a mais para dedicar a isso. Você tem mais tempo do que imagina.

Sim, leitora: eu também estou cansando de ter de fazer tudo remotamente. Quando as aulas presenciais voltarem, com certeza vou pensar num esquema seguro de atender alunos na minha sala. Por enquanto, porém, temos de dar um jeito de resolver os problemas da maneira que seja possível.

E o leitor, anda saturado de reuniões online?

Categorias
Artigos

Meu autor favorito de livros de Engenharia Mecânica: Yunus A. Çengel

Continuando a conversa sobre livros de Engenharia, não posso deixar de falar sobre um autor cujos livros possuo quase na sua totalidade: Yunus A. Çengel, professor na University of Nevada, Reno.

Eu tive contato com ele quando estava na 4a fase da graduação em Engenharia Mecânica mas, contrariando a relevância do que falei no post anterior, não comprei nenhum quando estava na faculdade. Talvez porque eu trapaceava: o Termodinâmica era o livro que meu orientador usava nas suas disciplinas, e eu tinha certo acesso fácil a ele (era só pedir).

Quando eu virei professor, uma das minhas primeiras decisões foi comprar toda a coleção disponível no Brasil – falta apenas o Equações Diferenciais, que na minha situação atual é o menos relevante (mas, conhecendo a minha personalidade obsessiva, um dia eu completo a coleção).

Como dá para ver, as figuras são excelentes para ilustrar conceitos e elas mesmo quase não precisam de legendas

Os livros do Çengel para mim possuem a combinação perfeita de explicações didáticas com figuras bem trabalhadas. Por exemplo, no momento ando mergulhando em Mecânica dos Fluidos, um assunto que frequentemente aparece nas minhas disciplinas (ainda que eu mesmo não ministre nenhum curso especificamente sobre isso) e sempre aparece em concursos para professor efetivo. Meu método de estudo consiste em montar mapas no MindNode, cheio de equações produzidas no LaTeXiT e figuras do livro do Çengel. O texto é fácil de seguir e há muitos exercícios disponíveis.

Como professor, o material de apoio disponível no site da editora é excelente, com soluções de exercícios e ilustrações do livro em alta resolução. Quando estou montando slides das várias disciplinas, as pastas com as imagens de todos os livros estão sempre abertas para ilustrar as apresentações.

Essa figura, por exemplo, aparece em todas as minhas disciplinas. É simples, bem feita, fácil de entender: a gasolina é o derivado mais leve e o óleo combustível, o mais pesado.

Qual o lado ruim? O didatismo vem às custas de pouca profundidade em alguns assuntos. Por exemplo, o Transferência de Calor e Massa do Çengel é um livro muito menos completo que o famoso e amado Incropera – mas o que eu faço: uso o último das minhas aulas mas monto slides com as figuras muito melhores do primeiro.

Para terminar um texto sobre livros, não posso deixar de linkar um texto do Austin Kleon: os livros do Çengel me influenciam profundamente como educador de engenharia, e eu assumo isso e procuro sempre estudá-los.