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Tirando férias em um período sem férias

A minha esposa espalha por aí que eu sou uma pessoa estressada (brincando apenas em parte, como infelizmente tenho de admitir), mas até ela há de concordar que esse mês de outubro têm sido transformador.

Não é difícil saber o que ajuda a conter o estresse, e eu sigo todas as receitas conhecidas: meditação, oração, terapia, prática de exercícios – e, ultimamente, uma menos conhecida: “mini-férias”. Esse conceito foi aparentemente popularizado por Tim Ferriss, em que ele propõe parar de viver um ciclo de períodos longos de trabalho com períodos médios de férias, e aumentar a frequência desse ciclo: trabalhar algumas semanas, viajar outras, voltar a trabalhar, viajar mais um pouco (esse vídeo explica bem). Variações dessa ideia: a Thais Godinho recomenda fazer do dia a dia suas férias, e a Laura Vanderkam recomenda planejar mini-aventuras fora da rotina para tornar a vida mais memorável.

Nessa primeira quinzena de outubro, eu e minha família aproveitamos essa ideia de mini-férias na praia. O prefixo é necessário: apesar de alguns dias sem aulas devido a uma semana de palestras na minha universidade, eu não estava de férias de fato. Porém, mesmo nos dias onde havia aulas e outros compromissos eu tirei o pé do acelerador.

Fazia tempo que eu não me sentia tão genuinamente feliz, relaxado.

Eis o que eu experimentei nessas semanas:

  • Muitas corridas na praia
  • Café com minha irmã
  • Sorvete com um grande amigo meu dos tempos de escola
  • Ir num Sebo (!) e comprar livros por R$ 15
  • Tomar açaí em um dos meus locais favoritos de Florianópolis
  • Aniversário do meu avô (93 anos!)
  • Visita ao meu compadre, onde o meu filho se diverte muito brincando com o filho dele

Seguindo outra recomendação da Laura Vanderkam, de refletir mais e usar o celular menos, eu escrevi muito no meu caderno. Tenho tentado registrar tudo: minhas impressões, minhas meditações da Bíblia, o que fiz, meus sentimentos. E minhas tarefas, o que foi essencial para realmente aproveitar esse período.

Não é fácil para uma pessoa ansiosa conseguir relaxar de fato, e eu só consegui fazer isso sabendo que tudo estava em ordem: preparei com cuidado as aulas necessárias, atendi alunos, respondi emails. Aproveitei os cafés da manhã não para re-assistir The Big Bang Theory, mas para estudar artigos para uma revisão bibliográfica que estou preparando. Após voltar de cada passeio, dediquei meia hora a revisar algum assunto para a aula do dia seguinte.

Eu sei que esse período foi finito, então tentei aproveitar ao máximo. Logo mais vou voltar à minha rotina normal – mas que já é preenchida de mini-férias, de qualquer jeito. Eu ministro 5 disciplinas de Engenharia e estou tentando voltar a fazer pesquisa, mas não abro mão de passeios matinais com meu filho e almoços em família. O LinkedIn me mostra vários colegas de faculdade com muito mais realizações profissionais que eu – mas eles não tem um bebê que grita “papai” e abre um sorriso quando os vê. E é para o meu filho que eu quero ser melhor e menos estressado.

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Metodologias Ativas em Ensino de Engenharia – O Plano

A frase sobre metodologias ativas para copiar e colar em textos sobre metodologias ativas é “colocar o aluno como protagonista da aprendizagem” [1], geralmente seguida por “o aluno deve fazer mais e o professor falar menos”. Como qualquer aluno meu pode atestar, eu estou precisando falar menos.

Há algumas semanas, eu descrevi aqui uma série de planos para melhorar as minhas disciplinas (1,2,3,4,5). São bons planos, todos centrados em “guiar melhor os alunos em explorar Engenharia”, mas agora que o semestre começou, eu percebo como é difícil mudar a minha maneira verborrágica de dar aula e como é preciso corrigir o curso desde já.

Aqui está o plano.

Escolhendo a sua avaliação

Nós só aprendemos de fato fazendo, preferencialmente experimentado a partir de problemas relevantes para nós [1]. É por isso que estou incluindo entre as avaliações da maioria das disciplinas um componente de “você escolhe o problema”. Você aprendeu sobre transferência de calor – e agora, que problema relevante na sua vida você quer resolver com esse conhecimento? (curiosamente, enquanto escrevo este texto, a ventoinha de meu laptop movimenta-se furiosa e audivelmente – não existe maneira melhor de remover o calor do processador?).

Ferramentas tecnológicas

Há alguns dias, eu encontrei um grande amigo meu, namorado de uma professora universitária. Como é praxe nas minhas conversas, eu reclamo de dar aulas online, e como é praxe dele, ele questiona as minhas reclamações. Com tantas ferramentas digitais, não é possível dar uma aula excepcional pela internet?

Certamente dá, mas eu ainda estou aprendendo a fazer isso.

Quando eu penso na minha experiência como engenheiro, observando os melhores profissionais com quem tive o privilégio de trabalhar, eu vejo duas características em comum:

  1. Elas dominam o básico muito bem dominado – e isso só é alcançado com uma rotina de estudos, preferencialmente de livros bem escritos e que têm reputação entre engenheiros
  2. Elas sabem fazer experimentos – físicos ou computacionais – rapidamente para comprovar alguma ideia.

As minhas disciplinas se agrupam sob o manto das “Ciências Térmicas”, e a atividade básica a todas elas é calcular propriedades termofísicas (energia, entalpia, volume). É por isso que venho enfatizando o uso de Python nas minhas aulas, especialmente com a biblioteca CoolProp. Quando eu era estudante de graduação, eu não tinha smartphones e nem a essas bibliotecas; eu tinha uma calculadora HP-50 e tabelas impressas. Hoje isso mudou, e eu não posso dar aulas como eu tinha. Hoje é possível gerar dados muito rapidamente e aprender com eles – e eu acredito fielmente que essa é uma habilidade essencial do engenheiro que está se formando.

Principalmente nas minhas disciplinas de 3 horas-aula seguidas, tenho tentado dividir as aulas em duas partes: uma parte síncrona de discussões inicias e exploração dessas ferramentas, e outra parte de confiar nos alunos e deixá-los explorar. O que vai sair dessas explorações? Eu não sei; o ensino não é sobre mim, é sobre os alunos.

Um começo de sala de aula invertida

Eu criei um canal no YouTube. Se a leitora visitá-lo, vai ver que o que há não são aulas longas, e sim algumas exposições básicas: o que eu, com um pouco mais de experiência que meus alunos, julgo ser importante considerar e estudar. A ideia é montar essa biblioteca de assuntos básicos e transformar os espaços síncronos em espaços de discussão, deixando os alunos mostrarem suas dúvidas e, utilizando as ferramentas acima, explorar junto com os alunos – mas sem um formato de palestra.

Após mais algumas semanas, eu volto aqui e relato como tem sido.

Referências

[1] Bacich, Lilian; Moran, José (org.). Metodologias ativas para uma educação inovadora: uma abordagem teórico-prática. Porto Alegre: Penso, 2018.

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Um professor ainda precisa estudar?

Eu sou incrivelmente privilegiado por ter 3 diplomas de ensino superior armazenados em uma pasta em meu escritório, cada um de um nível diferente (Graduação, Mestrado, Doutorado), todos em Engenharia Mecânica. De acordo com os conceitos populares, eu deveria saber tudo sobre carros, mas de acordo com a minha realidade, eu sou comecei a estudá-los de fato quando fui contratado para ensinar disciplinas de Máquinas Térmicas, há quase dois anos. Hoje consigo responder a perguntas dos meus alunos que a minha versão anterior jamais conseguiria responder.

Mesmo assim, foi só na semana passada que eu realmente entendi por ainda se usam motores de 2 tempos, já que eles são menos eficientes e emitem mais poluentes – eles são simplesmente mais potentes que um motor de 4 tempos de mesma cilindrada e na mesma rotação. Você tinha se ligado disso? Um motor de 2 tempos precisa de apenas dois movimentos do pistão (um para subir, outro para descer) para completar o ciclo, enquanto que a versão mais comum de 4 tempos precisa de mais dois movimentos, e portanto demora mais para completar a sequência de processos, e portanto tem menor potência (energia por unidade de tempo).

Se você quer saber mais, o vídeo abaixo tem mais explicações sobre as diferenças (como eu gostaria que esse canal não usassem tantos palavrões, mesmo mutados):

É por isso que ainda a essa altura eu dedico tempo regular ao estudo. Nesse semestre, eu estou mergulhando no Internal Combustion Engine Fundamentals do Heywood. A edição que tenho é de 1988, mas já apresenta os desafios que aparecem nas propagandas e reportagens em 2021: produzir motores automotivos que sejam eficientes, potentes e que emitam cada vez menos poluentes, tendências que geralmente são opostas: é possível aumentar a potência (até certo ponto) adicionando cada vez mais combustível por injeção, mas isso também aumenta a quantidade de gases tóxicos lançados na atmosfera.

Eu adoro a minha rotina de estudos. Eu sento com um livro e meu caderno, ponho alguma música de concentração, e sinto-me como um aluno (o que nunca vou deixar de ser).

Eu acho impossível estudar sem escrever o que me chama atenção em um caderno

Isso não é perda de tempo? Depende de como você avalia o seu uso do tempo. Eu poderia estar partindo direto para escrever notas de aulas e artigos, tendo livros do lado para consulta, mas eu prefiro dedicar uma quantidade ridícula de horas a estudar livros antigos em profundidade. Mas isso é tempo bem gasto.

Primeiro, como falei, eu extraio prazer dessa atividade. Segundo, como dizem Cal Newport e Scott Young no seu curso Top Performer, a chave de uma carreira de sucesso é imitar carreiras de sucesso; quando eu penso em carreiras acadêmicas de sucesso, eu logo penso em dois amigos que admiro, e a minha memória de quanto trabalhava com eles era que os dois estudavam o dia todo e não participavam de reuniões. Hoje os dois são professores de universidades federais. Curioso.

Na minha carreira, sempre eu venci um senso de urgência (interno ou externo) e me dediquei a estudar um assunto sem pressa, os dividendos foram altos. Eu passei boa parte do ano de 2016 estudando uma Tese de Doutorado bastante complexa. Em 2021, eu ainda uso as notas que tomei como base para escrever artigos – o que seria impossível se eu não tivesse dedicado o tempo para ler, escrever, ler mais um pouco, escrever mais um pouco.

Na profissão da leitora, existe algo que pode ser facilitado ou melhorando simplesmente sentando e estudando?

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Meu planejamento do mês de outubro de 2021 – ou, como planejo me estressar menos com planejamentos

Na passagem de janeiro para fevereiro deste ano, eu publiquei um post de revisão e planejamento, mostrando como fora o meu primeiro mês desse ano e como planejava passar o segundo. O plano era repetir esses textos todos os meses; mas então o semestre letivo começou, e todos os planos lindamente concebidos à base de água de coco na beira da praia foram esquecidos em um tempo curto demais.

Reler textos antigos deste blog sempre me assustam pela repetição aparentemente eterna dos mesmos problemas. Há 9 meses eu constatava como minha relação com minha esposa, geralmente maravilhosa, ficava estremecida quando eu deixava o estresse de não cumprir metas se sobressair sobre coisas positivas da minha vida; isso ainda é verdade. Em fevereiro, eu reclamava de como não conseguia conciliar ambição e paternidade; isso ainda é muito verdade.

Mas enfim, a primavera chegou, a Thais Godinho continua me inspirando, a Laura Vanderkam fica me lembrando de que ainda dá tempo de fazer o ano render, e aqui vai uma nova tentativa de refletir sobre a passagem dos meses. Talvez não por acaso, estou escrevendo isso novamente numa casa de praia.

Após alguns meses de abandono dessa prática, voltei a fazer um planejamento básico no Bullet Journal

Neste mês, justamente para evitar estresse de colocar metas demais, eu tentei pôr os pés no chão e listar o que realmente precisa ser feito:

  • há uma série de avaliações a preparar, e não há o que fazer; eu preciso testar os meus alunos para verificar a sua aprendizagem, e tenho como princípio básico evitar ao máximo repetir avaliações para valorizar o meu trabalho e o esforço dos estudantes;
  • há feriados e dias não-letivos, então há aulas e atividades assíncronas que precisam ser distribuídas;
  • há alguns assuntos que eu simplesmente não domino o suficiente para ministrar em um curso de alta qualidade (como é o meu caso privilegiado como professor), e novamente, como princípio, eu valorizo estar muito bem preparado; esses assuntos precisam ser revisados e estudados.

Se eu chegar ao fim de outubro e perceber que eu dei o meu melhor na minha função de professor, e melhorei as minhas aulas um pouco em relação ao semestre passado; estarei satisfeito (ou assim me iludo por enquanto).

Ao examinar com calma o calendário do mês, eu percebi que semanas onde as aulas previstas são todas bem dominadas e que vão exigir menos trabalho. São nesses dias em que eu pretendo atacar os projetos extras listados no meu caderno acima: produzir uma Revisão Bibliográfica para um paper que estou escrevendo; voltar a estudar para concursos de professor efetivo e usar este blog como espaço de prática; e resolver algumas pendências financeiras.

Vocês podem me fazer um favor e torcer para eu conseguir cumprir isso sem me estressar muito?

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Você tem noção de escalas?

Em Four Thousand Weeks, Oliver Burkeman faz o alerta de que o ser humano típico vive apenas 4000 semanas em toda a vida, e conta que as pessoas (para quem ele perguntou de maneira não-científica) largamente sobre-estimam o tempo de vida numa unidade não-usual como “semanas”.

Como professor de engenharia, isso me faz pensar na noção de escalas, uma habilidade essencial de engenheiros que leva anos a desenvolver propriamente (eu mesmo estou longe de ter uma noção perfeita). Todo mundo sabe que 1000 ˚C é quente, mas e outras unidades e dimensões?

Ao considerar um equipamento que entrega 100 W de potência, você imediatamente consegue pensar no que é isso? É o consumo de uma lâmpada média.

Um compressor de geladeira consome algo em torno de 1/5 de HP – você tem noção de que isso é 200 vezes menor que o motor de um carro? (tudo isso são valores típicos).

O que é 60 km? É a distância que se percorre em 1 h de carro, com uma velocidade média de 60 km/h (que envolveria você trafegar por uma cidade em velocidades baixas, pegar uma rodovia a mais de 100 km/h, e depois entrar em outra cidade).

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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.

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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

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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?

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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?

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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.