[001] O presente relatório de Modelo de Utilidade refere-se a um novo sistema para obtenção de hidrogênio monoatômico, como enseja a sua denominação, sem o emprego de componentes químicos oxidantes e sem oxidação da água, destinado à injeção junto com combustíveis fósseis em motores a combustão interna, promovendo maior eficiência energética, queima mais limpa e maior conservação e vida útil dos componentes metálicos.

Histórico da Invenção

[002] O uso de processos eletrolíticos tem sido largamente empregado na produção de hidrogênio para diversas soluções energéticas, inclusive na alimentação de motores a combustão, como se observa nas patentes britânicas GB1005924.4 (de 08/04/2010), GB1005920.2 (08/04/2010) e GB 1005918.6 (08/04/2010), seguidas pelo Pedido Internacional via PCT GB201 0/051862 e pela fase nacional brasileira BR112012025492-8. Outra solução que emprega gás hidrogênio para enriquecer mistura em motores a combustão está citada no pedido internacional via PCT EP1 1/057353 e a respectiva fase Nacional brasileira BR1 12012028627-7. [003] Ocorre que as soluções contempladas no estado da técnica, por utilizarem gás hidrogênio armazenado, requerem componentes que trabalhem a altas pressões e, consequentemente, envolvem altos custos de fabricação.

[004] Outro inconveniente, observado em células-combustível que empregam eletrólise para a produção de hidrogênio, diz respeito à vida útil das partes metálicas envolvidas em todo o processo, inclusive nos componentes dos motores à combustão, uma vez que se observa a geração de diversos tipos de óxidos que contribuem para agredir os componentes metálicos, diminuindo a sua vida útil. [005] Um dos objetivos do presente Modelo de Utilidade aqui proposto reside em prover um equipamento para a produção eletrolítica de hidrogênio monoatômico que não empregue componentes químicos oxidantes e abrasivos, reduzindo substancialmente a formação de nitritos e o conhecido processo de carbonização dos motores a combustão.

[006] A hidrólise é conhecida como uma reação química específica em que as moléculas de água se dividem nos seus elementos componentes (H2O: hidrogénio + oxigênio) formando diferentes ligações com alguma outra substância envolvida, alterando-a ao longo do processo. Em outras palavras, é o que acontece quando a água é utilizada como solvente, onde se conclui que é uma forma de quebrar uma determinada molécula de soluto reagindo-a com água. Em ternos de química orgânica, este processo é exatamente o oposto à reação de condensação, que é a união de duas moléculas orgânicas para produzir uma molécula de água.

[007] Existem três formas principais de hidrólise, dependendo das substâncias que são reagentes com a água:

1. Hidrólise ácido-base. Nesta reação, a molécula de água se divide para formar um ion hidroxila (OH-) e um próton (H+), que é imediatamente hidratado para formar hidrónio (H3O+), na presença de substâncias como os sais, cujos íons se combinam com as anteriores, dependendo do grau de solubilidade que apresentam estes sais em relação à água. Tal processo pode dar origem a quatro cenários diferentes para se observar e analisar:

• Hidrólise de sal de ácido forte- base forte. Neste caso, quase não ocorre hidrólise, uma vez que as cátions e ânions não são muito reativos, visto que são fracos. 0 pH, neste caso, será neutro.

• Hidrólise de sal de base ácido fraco e base forte.

Neste caso, a fraqueza do ácido (e, portanto, do ânion) irá gerar íons hidroxila, enquanto o cátion, sendo forte, não reagirá. O pH resultante será básico (acima de 7).

• Hidrólise de sal de ácido forte e base fraca. No caso contrário, a base fraca (e, portanto, o cátion) irá gerar íons hidrônios (hidrónio), enquanto os ânions não reagirão. O pH resultante será ácido (menor que 7).

• Hidrólise de sal de ácido fraco e base fraca. Apresenta alta reatividade, tanto dos cátions como dos ânions, pelo que haverá um maior ou menor equilíbrio na reação, sendo produzidos tantos íons de hidroxila como de hidrónio. O pH desta reação será neutro.

2. Hidrólise de amidas e ésteres. No caso deste tipo de substâncias orgânicas, a presença de água ou de um íon hidróxido reage com os átomos de carbono, decompondo-os nos seus elementos constituintes: as amidas decompõem-se em aminas e ácidos carboxílicos. E os ésteres, em álcoois e ácido carboxílico. De fato, é isto o que ocorre na prática da saponificação (hidrólise de triglicerídeos e obtenção de sabões).

3. Hidrólise de polissacarídeos. Vários açúcares, tais como dissacarídeos ou polissacarídeos, podem ser decompostos por dissolução na água, quando o hidrogênio da água se liga ao oxigênio na extremidade da molécula de açúcar, enquanto o ion hidroxila (OH-) se liga ao resto da molécula de açúcar. É assim que o açúcar é simplificado, permitindo que moléculas complexas sejam elevadas para moléculas muito mais simples, sendo este um processo regularmente utilizado por formas de vida.

[008] Uma vez que este trabalho se concentra na maior utilidade do hidrogênio, e na sua reação ao titânio com condutividade, segue-se uma breve explicação: o hidrogênio é o elemento químico com número atómico 1 , representado pelo símbolo H. Com uma massa atómica de 1.00797, é o elemento mais leve da tabela periódica dos elementos. Ocorre normalmente na sua forma molecular, formando o gás diatômico H2 em condições normais. Este gás é inflamável, incolor, inodoro, não metálico e insolúvel na água.

[009] Devido às suas muitas e variadas propriedades, o hidrogênio não pode ser claramente colocado em qualquer grupo da tabela periódica, embora seja frequentemente colocado no grupo 1 (ou família 1A) porque possui um único elétron na camada de valência ou na camada superior.

[010] O hidrogênio é o elemento químico mais abundante, constituindo cerca de 75% da matéria visível no universo. 0 hidrogênio elementar é relativamente raro na Terra e é produzido industrialmente a partir de hidrocarbonetos como, por exemplo, o metano. A maior parte do hidrogénio elementar é obtido in situ, ou seja, onde e quando é necessário. Os maiores mercados mundiais apreciam a utilização de hidrogênio para a melhoramento de combustíveis fósseis (no processo de hidro craqueamento) e produção de amoníaco (principalmente para o mercado de fertilizantes). 0 hidrogênio pode ser obtido a partir da água por um processo de eletrólise, mas este é um método muito mais caro do que a obtenção a partir do gás natural.

[011] O isótopo de hidrogénio mais comum é o prótio, cujo núcleo [e constituído por um único próton e nenhum nêutron. Em compostos iônicos, pode apresentar uma carga positiva (tornando- se um cátion chamado hídron, H+, constituído por apenas um próton, por vezes na presença de 1 ou 2 nêutrons); ou uma carga negativa (tornando-se um ânion conhecido como hidreto, H-). Outros isótopos também podem serformados, como o deutério, com um nêutron, e o trítio com dois nêutrons. Em 2001 , o isótopo 4H foi criado em laboratório, e a partir de 2003, os isótopos 5H foram sintetizados até 7H. 0 hidrogênio forma compostos com a maioria dos elementos e está presente na água e na maioria dos compostos orgânicos. Desempenha um papel particularmente importante na química ácido-base, onde muitas reações envolvem a troca de prótons (ions de hidrogênio, H+) entre moléculas solúveis. Uma vez que é átomo neutro para o qual a equação de Schrodinger pode ser resolvida analiticamente, o estudo da energia e da ligação do átomo de hidrogênio tem sido fundamental a ponto de ter desempenhado um papel importante no desenvolvimento da mecânica quântica.

[012] As características ricas deste elemento e a sua solubilidade em vários metais são muito importantes na metalurgia, uma vez que muitos metais podem tornar-se frágeis na sua presença, e no desenvolvimento de formas seguras de armazená-lo para utilização como combustível. É altamente solúvel em vários compostos que possuem terras raras e metais de transição, e pode ser dissolvido tanto em metais cristalinos como amorfos. A solubilidade do hidrogênio nos metais é influenciada par distorções locais ou impurezas na estrutura cristalina do metal.

[013] Entre as propriedades, podemos destacar algumas bem interessantes:

1. Combustão: o gás hidrogênio (H2) é altamente inflamável e queima em concentrações de 4 % ou mais H2 no ar. A entalpia de combustão do hidrogênio é de -286 kJ/mol; queima de acordo com a seguinte equação equilibrada.

[(2 H ₂ (g)+0 ₂ (g) 2H ₂ O(I) + 572k] (286 kj/mol).

Quando misturado com oxigênio numa variedade de proporções, a hidrogênio explode por ignição. O hidrogénio queima violentamente no ar; a ignição ocorre automaticamente a uma temperatura de 560 C. As chamas puras de hidrogénio - oxigênio queimam na gama de cores ultravioleta e são quase invisíveis a olho nu, como evidenciado pela fraqueza da chama dos motores principais da nave espacial (em oposição às chamas facilmente visíveis do propulsor de foguetes sólidos). Assim, é necessário um detector de chamas para detectar se uma fuga de hidrogénio está queimando. [014] A explosão do dirigível Hindenburg foi um caso infame de queima de hidrogénio. A causa foi debatida, mas os materiais combustíveis no convés do dirigível foram responsáveis pela cor das chamas. Outra característica das chamas de hidrogénio é que as chamas tendem a subir rapidamente com o gás no ar, caso as chamas de Hindenburg ilustraram, causando menos danos do que os incêndios de hidrocarbonetos. Dois terços dos passageiros do Hindenburg sobreviveram ao incêndio, e muitas das mortes ocorridas decorreram da queda ou pela queima por combustível Diesel.

[015] H2 reage diretamente com outros elementos oxidantes. Uma reação espontânea e violenta pode ocorrer à temperatura ambiente com cloro e flúor, formando haletos de hidrogênio correspondentes: cloreto de hidrogênio e fluo reto de hidrogénio.

[016] Ao contrário dos hidrocarbonetos, a combustão do hidrogênio não gera óxidos de carbono (monóxido e dióxido) mas simplesmente água sob a forma de vapor, pelo que é considerado um combustível amigo do ambiente e ajuda a mitigar o aquecimento global.

[017] Há duas razões principais pelas quais é desejável substituir os combustíveis fósseis par hidrogénio:

• A combustão do hidrogénio não polui, produz apenas água como subproduto; enquanto os combustíveis fôsseis produzem CO2, que permanece na atmosfera como poluente e é um dos maiores responsáveis do chamado de” efeito estufa".

• As reservas de combustível fóssil esgotar-se-ão, mais cedo ou mais tarde, enquanto o hidrogénio continuará a ser inesgotável. O nível de energia do estado fundamental eletrônico de um átomo de hidrogênio é de -13,6 eV, o que equivale a um fóton ultravioleta de aproximadamente 92 nm de comprimento de onda.

[018] Os níveis de energia do hidrogênio podem ser calculados com bastante precisão utilizando o modelo atómico Bohr, que considera que a elétron orbita ao redor do próton de forma análoga à órbita terrestre em torno do Sol. No entanto, a força eletromagnética faz com que o próton e o eléctron se atraiam mutuamente, tal como os planetas e outros corpos celestes são atraídos pela força gravitacional. Devido ao carácter discreto (quantizado) do momento angular postulado na mecânica quântica inicial por Bohr, o eléctron no modelo de Bohr só pode orbitar a certas distâncias permitidas em torno do próton e, por extensão, a certos valores de energia permitidos. Uma descrição mais precisa do átomo de hidrogênio é dada por um tratamento puramente quântico-mecânico utilizando a equação da onda de Schrodinger ou a formulação equivalente dos integrais de caminho de Feynman para calcular a densidade de probabilidade do eléctron próximo do próton. O tratamento do eléctron através da hipótese De Broglie (dualidade onda-partícula) reproduz resultados químicos (como a configuração do átomo de hidrogênio) mais naturalmente do que o modelo de partículas de Bohr, embora a energia e os resultados espectrais sejam os mesmos.

[019] Se a massa reduzida do núcleo e do eléctron for utilizada na construção do modelo, obtém-se uma melhor formulação para os espectros de hidrogênio, e as e os deslocamentos espectrais corretos para deutério e trítio. Pequenos ajustes aos níveis energéticos do átomo de hidrogênio, correspondentes aos efeitos espectrais reais, podem ser determinados utilizando a teoria mecânica-quântica completa, que corrige os efeitos da relatividade especial, e calculando os efeitos quânticos decorrentes da produção de partículas virtuais no vácuo e como resultado de campos elétricos.

[020] No hidrogênio gasoso, o nível energético do estado eletrônico fundamental divide-se ainda em outros níveis de estrutura hiper fina, causado pelo efeito das interações magnéticas produzidas entre os spins do elétron e do próton. A energia do átomo quando os spins do eléctron e o próton estão alinhados é maior do que quando os spins não estão. A transição entre estes dois estados pode ter lugar pela emissão de um fóton através de uma transição dipolo magnética. Os radiotelescópios podem detectar a radiação produzida neste processo, que é utilizada para criar mapas da distribuição do hidrogênio na galáxia. O diagrama da Figura 4 ilustra a distribuição dos níveis de energia do Hidrogênio de acordo com seu grau de ionização.

[021] O titânio é um elemento químico com símbolo Ti e número atómico 22 e é colocado no grupo 4 da tabela periódica dos elementos. É um metal de translação com uma cor cinza, baixa densidade e elevada dureza. É altamente resistente à corrosão pela água do mar, água regia e cloro.

[022] No seu estado puro, tem uma elevada resistência à corrosão e a maior proporção de dureza-densidade de todos os elementos metálicos. É tão forte como alguns aços, mas a sua densidade é menor. Tem duas formas alotrópicas e cinco isótopos naturais que vão de 46Ti a 50Ti, sendo 48Ti a mais abundante dentre elas.

[023] O titânio pode formar ligas com ferro, alumínio, vanádio e molibdênio, entre outros elementos, adequadas às suas propriedades de leveza e resistência para a construção de maquinários para aplicações aeroespaciais - motores a jato, mísseis e naves espaciais - militares, industriais, armazenamento e transporte de produtos químicos e petroquímicos, plantas de dessalinização - na indústria automotiva, próteses médicas etc.

[024] O titânio é o elemento metálico com a maior relação dureza- densidade. É um metal forte, de baixa densidade e alta ductilidade (especialmente em ambientes sem oxigênio), e é de cor branca metálica. Tem um ponto de fusão relativamente alto, acima de 1650°C (1920 K), o que o torna útil como metal refratário. É paramagnético e tem uma baixa condutividade eléctrica e térmica.

[025] As ligas comerciais de titânio, com uma pureza de 99,2%, têm uma tensão de ruptura de 434 MPa (63 000 psi), equivalente à das ligas de aço comuns, mas com menor densidade.

[026] O titânio possui uma densidade 60% superior ao alumínio, mas é duas vezes mais forte do que a liga de alumínio mais comum 6061- T6. Algumas ligas de titânio atingem uma tensão de ruptura acima dos 1400 MPa (200 000 psi). No entanto, o titânio perde resistência quando aquecido a temperaturas superiores a 430°C (703 K). O titânio não é tão duro como alguns tipos de aço tratado, e seu uso na máquina requer alguma cautela, uma vez que pode desenvolver juntas defeituosas se não forem utilizados os métodos corretos de arrefecimento. Assim como as feitas de aço, as estruturas de titânio, têm um limite de fadiga que assegura longevidade nas suas aplicações.

[027] É um metal dimórfico alotrópico. A sua estrutura cristalina no estado alfa tem uma forma hexagonal e toma-se cúbica centrada no corpo à medida que transita para o estado beta a uma temperatura de 882°C (1155 K). O calor específico da sua forma alfa aumenta dramaticamente à medida em que é aquecido à temperatura de transição, caindo em seguida e permanecendo relativamente constante na forma beta, sem ser afetado pela temperatura. Tal como no zircônio e o háfnio, há uma fase ômega adicional, termodinamicamente estável a altas pressões, mas metastável a pressão ambiente, que é normalmente hexagonal ou trigonal.

[028] Dentro das qualidades químicas temos que, como o alumínio e magnésio, titânio e suas ligas oxidam quando são expostos ao ar. 0 titânio reage com oxigênio a temperaturas de 1200 »C (1470 K) no ar e 610 °C (883 K) em oxigênio puro, formando dióxido de titânio. No entanto, as reações de oxidação em contacto com o ar e a água são lentas, devido à passivação que forma uma camada de óxido que protege o resto do metal da sua própria oxidação. Inicialmente, quando esta camada protetora se forma, tem apenas 1-2 nm de espessura, aumentando lentamente de tamanho até 25 nm ao longo de um período o de quatro anos.

[029] O titânio tem uma elevada resistência à corrosão, comparável à do platino, capaz de resistir ao ataque de ácidos minerais fortes como o sulfúrico e outros ácidos oxiácidos, a maioria dos ácidos orgânicos e soluções de cloro.

[030] No entanto, os ataques com ácidos concentrados produzem maior corrosão. O titânio é termodinamicamente muito reativo, como indicado pelo fato de o metal começar a queimar antes de atingir o ponto de fusão, e a própria fusão só é possível numa atmosfera inerte ou em vácuo. Se combinado com cloro a urna temperatura de 550 °C (823 K), reage com o resto dos halogêneos e absorve hidrogênio.

[031] É um dos poucos elementos que queima em nitrogênio puro, reagindo a uma temperatura de 800°C (1070 X) para formar nitrito de titânio, o que causa uma perda de ductilidade no material.

[032] Cinco isótopos estáveis encontram-se na natureza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti e 50Ti, sendo 48Ti o mais abundante deles com 73,8% de abundância natural. Foram caracterizados onze radioisótopos, sendo o mais estável 44Ti com um período de semidesintegração de 63 anos, 45Ti tem um período de 184,8 minutos, 51 Ti com período de 5,76 minutos e 52Ti tem um período de 1 ,7 minutos. Quanto ao resto, as suas meias-vidas são inferiores a 33 segundos, e a maioria é inferior a meio segundo.

[033] Os isótopos de titânio têm pesos atômicos que vão de 39,99 Da (40Ti) até 57,966 Da (58Ti). 0 principal método de desintegração antes do isótopo estável mais abundante 48Ti é a captura electrónica, enquanto, depois é a desintegração beta. 0s produtos desta desintegração anterior ao 48Ti são isótopos do elemento 21 (escândio), e os posteriores são isótopos do elemento 23 (vanádio). O titânio toma-se radioativo quando bombardeado com deutério, emitindo principalmente positron e raios gama. [034] O óxido mais importante de titânio é o dióxido de titânio TiO2, que existe principalmente em anatase, brookite e rutilo, todos eles sólidos diamagnéticos brancos. Nestes compostos, são adotadas estruturas poliméricas, nas quais o Ti é rodeado por seis ligantes de óxido que se ligam a outros centros de Ti.

[035] O termo titanato é frequentemente utilizado para se referir a compostos de titânio (IV), tais como titanato de bário (BaTiO3). Com uma estrutura tipo perovskita, este material possui propriedades piezoelétricas e é utilizado como transdutor na Inter conversão do som e da eletricidade. O estrela de safiras e rubis obtêm o seu asterismo da presença de impurezas de dióxido de titânio.

[036] São conhecidos vários óxidos reduzidos de titânio. O TÍ3O5, descrito como Ti (IV)-Ti (III) é um semicondutor de cor roxa, produzido por redução de TiO2 com hidrogênio a altas temperaturas, empregado industrialmente quando as superfícies precisam de ser revestidas com vapor de dióxido de titânio, pois evapora como TiO puro enquanto o Ti02 evapora como uma mistura de óxidos e outros depósitos que têm um índice de refração variável. Outros óxidos comuns são; óxido de titânio (III) TÍ2O3 e óxido de titânio (II) TiO-.

[037] Os alcóxido de titânio (IV), preparados por reação d0 TÍCI4 com álcoois, são compostos incolores que se convertem ao dióxido em reação com a água. São industrialmente úteis para o depósito de TiO2 sólido pelo processo sol-gel. O isopropóxido de titânio é usado na síntese de compostos orgânicos por meio através de epoxidação Sharpless.

[038] Os compostos de titânio desempenham um papel catalítico importante na polimerização, pelo que os compostos com ligações Ti-C foram intensamente estudados. Os compostos mais comuns deste tipo são o dicloreto de titanoceno ((CsHs^TiCfe), o reagente de Tebbe (CsH5)2TiCH2CIAI(CH3) e o reagente de Petasis (Cp2Ti (CH3)2). 0 titânio também forma compostos carbonílicos, tais como o dicarbonil de titanoceno. (CsH5)2Ti (CO)2.

[039] A resistência à corrosão do titânio levou à investigação de contêineres de titânio para utilização no armazenamento alongo prazo de resíduos nucleares, e foi determinado que é possível fabricar contêineres que podem durar até 100.000 anos, desde que o processo satisfaça uma série de condições de fabricação concebidas para reduzir potenciais defeitos. Pode também ser utilizado como escudo antigotas sabre outros tipos de contêineres para ajudar na contenção de resíduos armazenados nestes.

[040] A análise do funcionamento de um motor de combustão é complexa porque trabalhar com um motor de combustão interna a quatro tempos, tanto de ciclo Otto como de ciclo Diesel, requer quatro tempos do pistão ou êmbolo (duas voltas completas do virabrequim) para completar o ciclo termodinâmico de combustão. Os quatro tempos são: admissão, compressão, combustão e exaustão (escape). No caso de um motor de combustão de hidrogênio, o hidrogênio é o combustível com a maior relação energia por unidade de massa, e o resultado da sua combustão é simplesmente vapor de água. Existem dois tipos de motores que utilizam hidrogênio: os motores de combustão, que utilizam hidrogênio como se fosse gasolina, ou seja, queimam-no num motor de combustão interna; e os motores de conversão de células-combustível, que utilizam hidrogênio para produzir eletricidade.

[041] Estes últimos são os mais difundidos, e além uma célula do Combustível de hidrogénio e outra célula de oxigênio, e ao misturar os dois, produz-se eletricidade que é utilizada para conduzir um motor elétrico.

[042] As células de hidrogênio são bastante caras para produzir e precisam de ser muito resistentes para suportar as altas pressões a que o hidrogénio tem de ser armazenado. Além disso, os catalisadores que são utilizados na reação química são fabricados com materiais caros, como o platino. Para obter o hidrogênio que será então introduzido nas células, deve ser um processo de eletrólise. que requer eletricidade, frequentemente produzida para motores alimentados por combustível fôsseis ou par outros métodos, que também são poluentes.

[043] Como vimos, o hidrogênio é uma fonte de energia, sustentável e, portanto, amiga do ambiente, uma que as emissões que produzem são água, e não o CO2, que são os gases poluentes UE emitidos pelos veículos com motores convencionais.

[044] Um ciclo Otto ideal modela o comportamento de um motor de combustão interna. Este ciclo consiste em seis passos, como mostra a figura. Provar que a eficiência deste ciclo é dada pela expressão onde r = V _A /V _B é a razão de compressão igual ao quociente entre o volume no início do ciclo de compressão e no seu final. Portanto, encontrar a eficiência a partir do calor que entra no sistema e o que sai dele; expressar o resultado em termos das temperaturas nos vértices do ciclo e, com ajuda da lei de Poisson, relacionar este resultado com os volumes VA e VB.

[045] Um ciclo Otto ideal é uma aproximação teórica ao comportamento de um motor de combustão interna. As fases de funcionamento deste motor são as seguintes:

• Admissão (1 ) - o pistão se move para baixo com a válvula de admissão aberta, aumentando a quantidade de mistura (ar + combustível) na câmara. Isto é modelado corno uma expansão a pressão constante (como a válvula está aberta, a pressão é igual à pressão externa). No diagrama PV, aparece corno uma linha reta E-A.

• Compressão (2) - o pistão sobe comprimindo a mistura. Dada a velocidade do processo, assume- se que a mistura não tem qualquer possibilidade de trocar calor com o ambiente, pelo que o processo é adiabático. É modelada como a curva adiabática reversível A-B embora na realidade não o seja, devido à presença de fatores irreversíveis como a Combustão por fricção.

• Combustão - com o pistão no seu ponto mais alto, a vela de ignição acende. O calor gerado na combustão aquece fortemente o ar, que aumenta a temperatura a um volume praticamente constante (uma vez que o pistão não teve tempo de descer). Este representado pela isocórica B-C. Este passo é claramente irreversível, mas para um processo isocórico em um gás ideal o equilíbrio é o mesmo que um reversível. • Expansão (3) - A alta temperatura do gás empurra o pistão para baixo, fazendo trabalho sobre ele. Mais uma vez, sendo um processo muito rápido, é aproximado por uma curva C-D adiabática reversível.

• Exaustão (4) - A válvula de escape é aberta e o gás escapa para o exterior, empurrado pelo pistão a uma temperatura mais elevada que a inicial, sendo substituído pela mesma quantidade de mistura fina na próxima admissão. O sistema é verdadeiramente aberto, uma vez que troca massa com o exterior. No entanto, como a quantidade de ar que sai e entra é a mesma, podemos, para o balanço energético, assumir que é o mesmo ar, que foi arrefecido. Este arrefecimento ocorre em duas fases: quando o pistão está no seu ponto mais baixo, o volume permanece aproximadamente constante e temos o processo isocórico D-A. Quando o pistão empurra o ar para o exterior, com a válvula aberta, utilizamos o processo isobárico A-E. fechando o ciclo.

[046] No total, o ciclo consiste em dois tempos de subida e dois tempos de descida do pistão, razão pela qual é chamado de motor a quatro tempos. Num verdadeiro motor de combustão, vá nos cilindros atuam simultaneamente, de modo que a expansão de alguns deles efetua o trabalho de compressão de outros.

Eficiência em função do calor

[047] Ao analisar o ciclo Otto ideal, podemos desconsiderar no equilíbrio os processos de admissão e escape a pressão constante A-E e E-A, uma vez que, como são idênticos e reversíveis em direções opostas, todo o calor e a trabalho trocado entre eles é anulado por um termo oposto no outro.

Transferência de calor

[048] Dos quatro processos que formam o ciclo fechado, não há troca de calor nos processos adiabáticos A-B e C-D por definição. O calor é trocado nos dois processes isocóricos.

[049] Na ignição da mistura B-C, uma certa quantidade de calor Qc (da energia interna do combustível) é transferida para o ar. O subscrito “c" vem do fato de este calor ser transferido com uma suposta fonte quente. Uma vez que o processo tem lugar a um volume constante, o calor coincide com o aumento da energia interna:

[050] Na expulsão dos gases D-A o ar sai a uma temperatura maior que da entrada, liberando posteriormente calor |Qf| no ambiente. No modelo de sistema fechado, onde imaginamos que é o mesmo ar que é comprimido uma e outra vez no motor, modelamos isto como o calor I Qf | liberado no processo D-A por arrefecimento. O subscrito “f vem do fato de este calor ser transferido para uma fonte fria, que é o ambiente. O valor absoluto provém do fato de, sendo um calor que sai do sistema para o ambiente, o seu sinal é negativo. O seu valor, análogo ao do caso anterior, é:

Trabalho realizado

[051] Ao contrário do que acontece com o calor, nenhum trabalho é feito no sistema nos dois processos isocóricos. O trabalho é feito nos dois processos adiabáticos.

[052] Na compressão da mistura A-B é feito um trabalho positivo sobre o gás. Sendo um processo adiabático, todo este trabalho é investido no aumento da sua energia interna, elevando a sua temperatura:

[053] Na expansão C-D, é o ar que trabalha sobre o pistão. Este trabalho é negativo, porque é o sistema que faz o trabalho. Mais uma vez, este trabalho útil é equivalente à variação na energia interna:

[054] O trabalho útil realizado pelo motor será o trabalho Líquido entregue, igual ao que produz (em valor absoluto) menos o que utiliza para funcionar:

[055] Por ser um processo cíclico, a variação da energia interna é nula no final do ciclo. Isto implica que o calor residual introduzido no sistema deve ser igual ao trabalho líquido realizado por este, em valor absoluto. Isto é verificado através da substituição das relações acima referidas:

Rendimento

[056] O rendimento (ou eficiência) de uma máquina térmica é geralmente definido como “o que temos dividido pelo que nos custa”. Neste caso, o que tiramos é o trabalho líquido total, I W I. O que nos custa é o calor Qc, que introduzimos na combustão. Não podemos subtrair o calor I Qf I uma vez que esse calor é cedido ao ambiente e não é reutilizado (o que violaria a declaração de Kelvin- Planck). Portanto, [057] Pela substituição do trabalho como diferença de calor, obtém- se a expressão geral para a eficiência de uma máquina térmica

Eficiência em função da temperatura

[058] Substituindo as expressões para o calor que entra no sistema, IQcl, e o calor que sai dele, I Qf I, obtemos a expressão da Eficiência:

[059] Vemos que o rendimento não depende da quantidade de ar contida nas câmaras, já que não se cancela. Podemos simplificar estas expressões observando que B-C e D-A são processos isocóricos

V _A = V _D VB = VC pelo que A-B e C-D são adiabáticos, cumprindo a Lei de Poisson: (supostamente reversíveis)

[060] Com Y = 1 ,4 a relação entre as capacidades de calcular a pressão constante e a volume constante.

Substituindo a igualdade de volumes, tem-se: E, dividindo-se a segunda pela primeira, obtém-se a igualdade de proporções:

[061] E, finalmente, obtemos a eficiência:

[062] Ou seja, a eficiência depende apenas da temperatura no início e no fim do processo de compressão, e não da temperatura após combustão ou da quantidade de calor introduzida por ela. Uma vez que TB < TC, onde TC é a temperatura máxima atingida pelo ar, já podemos ver que este ciclo terá uma eficiência inferior à de um ciclo de Carnot operando entre estas temperaturas TA e TC.

Eficiência em função da taxa de compressão [063] Aplicando novamente a razão de Poisson, podemos expressar a eficiência como: com r= VA/ VB a razão de compressão entre o volume inicial e o volume final. A eficiência teórica de um ciclo depende, portanto, exclusivamente da taxa de compressão. Para um valor típico de 8, esta eficiência é de 56,5%, como ilustra o gráfico da Figura 5.

[064] Comparando este valor com um ciclo diesel, que apresenta uma eficiência de 21 ,1 % e, sobrepondo ambos os tipos de trabalho realizados, obtemos uma eficiência de 77,6%. [065] Assim sendo, a fim de permitir a melhor elucidação do objeto em questão, proceder-se-á à sua descrição com referência às figuras a seguir, onde: a figura 1 ilustra uma vista do sistema completo montado; a figura 2 ilustra uma vista do conjunto de tubos de titânio (10); a figura 3 ilustra uma vista em corte lateral do recipiente (9); a figura 4 ilustra um diagrama de níveis de energia atômico do Hidrogênio; a figura 5 ilustra a eficiência de um ciclo de Carnot em função da taxa de compressão do combustível.

[066] De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima mencionadas, o “SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO MONOATÔMICO POR HIDRÓLISE, PRODUZIDA POR CORRENTE ELÉTRICA, ATRAVÉS DO METAL TITÂNIO EM ÁGUA, POR EXCITAÇÃO E SEM OXIDAÇÃO DA ÁGUA, PARA INJEÇÃO EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA POR EFEITO VENTURI, COM EXTRAÇÃO DO RECIPIENTE POR PRESSÃO NEGATIVA”, objeto deste Modelo de Utilidade, compreende um equipamento que inclui conexões positivas e negativas (1) a serem ligadas à bateria do veículo e a um transformador 12V-48V e 3A (1.2), um fio de 1 mm (1.3) que transmite o ânodo e o cátodo para os tubos da titânio (8), uma entrada externa de ar (2), uma tampa para fecho hermético (3) de modo a manter o espaço (4) livre de ar, um conjunto de tubos PBC (5) para conexão dos ânodos, um conjunto de tubos de titânio (8) de alta qualidade (grau 2 ou acima), um recipiente de acrílico (9), contendo H2O (7) no seu interior, um conjunto de conectores de borracha (10) para conexão de cabos de titânio de 1 mm, uma banda metálica (11) que envolve os tubos externos de titânio (8), uma saída (12) para gás com hidrogénio monoatómico enriquecido, uma tampa (13) com conexão para mangueira de alta pressão (princípio Venturi), uma saída (14) que libera o gás enriquecido ao motor e uma conexão (15) para a entrada de ar do motor.

[067] O processo eletrolítico produz hidrogênio monoatômico (6) no interior do recipiente por hidrólise.

[068] A tampa (13) em conjunto com a mangueira de alta pressão gera pressão negativa suficiente para aspirar o gás enriquecido para o interior da câmara de combustão do motor, contribuindo para o aumento da eficiência de queima, aumentando a eficiência total do motor como explicado anteriormente.

[069] É criado um vácuo parcial na câmara de ar pela aspiração do motor do gás enriquecido, introduzindo assim este aditivo no motor.

[070] O ar introduzido do exterior funciona o gerador que libera as bolhas de hidrogênio monoatómicas (substâncias de um só átomo), que serve para manter um nível estável de temperatura nos tubos de titânio, que devido ao fluxo circulante de ânodos e cátodos que tendem a aquecer um pouco, tornando esta geração de hidrogénio monoatômico e o trabalho realizado regular e constante.

[071] A água que recebe uma oxigenação externa cumpre o seu papel de liberadora de hidrogénio e oxigénio monoatômico, uma vez que o oxigénio trazido do trabalho extremo mantém níveis normais de temperatura.

[072] A eletrólise da água é limpa, uma vez que o titânio de alta qualidade (tipo GR2) não oxida no processo, tomando-o limpo, sem oxidação das peças e gerando apenas vapor de água durante a combustão. [073] Hidrólise significa a destruição, decomposição ou alteração de uma substância química pela água. Ao estudar soluções aquosas de eletrólitos, o termo é aplicado às reações de cátions com água para produzir uma base fraca, ou em outros casos, às reações de ânions para produzir um ácido fraco. É importante notar que o grau de hidrólise é a fração do íon que reage com a água.

[074] A hidrólise envolve a reação de um químico orgânico utilizando água de modo a formar duas ou mais novas substâncias. Em outras palavras, a hidrólise significa a divisão das ligações químicas pela adição de água. De fato, pode ser o oposto de uma reação de condensação em que duas moléculas se juntam numa molécula maior e expulsam uma molécula de água. Este mecanismo de hidrólise é utilizado principalmente na fabricação de álcoois como o etanol, glicólise como a exemplo etilenoglicol, propileno glicol e óxido de propileno.

[075] O efeito Venturi ocorre com um fluido em movimento num conduto fechado, diminuindo sua pressão ao aumentar a velocidade depois de passar por uma zona de seção menor. Sob certas condições, quando o aumento da velocidade é muito grande, são produzidas pressões negativas e, depois, se neste ponto do conduto introduz-se o extremo de outro conduto, produz-se uma aspiração do fluido contido neste primeiro conduto.

[076] Um tubo Venturi é um dispositivo inicialmente concebido para medir a velocidade de um fluido, aproveitando o efeito Venturi. De fato, conhecendo-se a velocidade antes do estreitamento e medindo-se a diferença de pressões, é facilmente encontrada a velocidade no ponto problema. [077] A aplicação clássica para medir a velocidade de um fluido consiste em um tubo constituído por duas secções cônicas, unidas por um tubo estreito no qual o fluido se move a uma velocidade correspondentemente mais elevada. A pressão no tubo Venturi pode ser medida por um tubo vertical em forma de U, que liga a região larga e o canal estreito. A diferença de altura do fluido no tubo em U permite medir a pressão em ambos os pontos e, consequentemente, a velocidade do fluido.

[078] Em outros casos, este efeito é utilizado para acelerar a velocidade de um fluido, forçando-o através de um tubo estreito com uma extremidade em forma de cone. Estes modelos são utilizados em muitos dispositivos onde a velocidade de um fluido é uma variável importante, formando a base de dispositivos como o carburador.

[079] Ao utilizar um tubo Venturi, deve se levar em conta um fenômeno chamado cavitação. Este fenômeno ocorre se a pressão em qualquer secção do tubo for inferior à pressão de vapor dofluido. Para este tipo de particular de tubo, o risco de cavitação encontra- se na garganta do tubo porque, aqui, como a área é mínima e a velocidade é máxima, a pressão é a menor que pode serencontrada no tubo. Quando ocorre cavitação, são geradas bolhas localmente, que se deslocam ao longo do tubo. Se estas bolhas atingirem áreas de maior pressão, podem entrar em colapso, produzindo picos de pressão locais com o risco potencial de danificar a parede do tubo (fadiga por pitting).

[080] Tubos Venturr. Medição da velocidade do fluido em condutos e aceleração do fluído. Quanto maior a pressão, menor a velocidade e vice-versa.

[081] Hidráulica: A pressão gerada num estreitamento por aumento da velocidade do fluido é frequentemente utilizada na fabricação de máquinas que fornecem aditivos numa condução hidráulica. Este efeito "Venturi” é frequentemente utilizado em misturadores do tipo Z para adicionar espuma concentrada a uma linha de água para extinguir.

[082] O motor: o carburador aspira o combustível pelo efeito Venturi, misturando-o com o ar (fluido do conduto principal), quando passa por um estrangulamento.

[083] Tratou-se no presente relatório descritivo de um novo “SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO MONOATÔMICO POR HIDRÓLISE, PRODUZIDA POR CORRENTE ELÉTRICA, ATRAVÉS DO METAL TITÂNIO EM ÁGUA, POR EXCITAÇÃO E SEM OXIDAÇÃO DAÁGUA, PARA INJEÇÃO EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA POR EFEITO VENTURI, COM EXTRAÇÃO DO RECIPIENTE POR PRESSÃO NEGATIVA”, apresentando, conforme se pode evidenciar pela descrição e pelas figuras apresentadas, algumas vantagens e aplicações diferenciadas com relação aos processos de hidrólise existentes.

[084] Havendo, portanto, sido descrita e ilustrada a melhor forma de realização atualmente contemplada para a concretização do presente Modelo de Utilidade, inúmeras modificações e variações em sua forma de realização poderão ser prontamente introduzidas por técnicos e especialistas no assunto. No entanto, compreende- se que a presente invenção não está limitada aos aspectos práticos ilustrados e descritos no presente relatório, englobando em seu escopo todas as variações e modificações óbvias e eventualmente não descritas.

[085] Pelas vantagens que oferece e ainda por revestir-se de Novidade, Aplicação industrial e Ato Inventivo, o sistema proposto preenche todos os requisitos e reúne as condições necessárias para obter uma Patente de Modelo de Utilidade.