CICLOS TERMODINÂMICOS E REGULAMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS NO BRASIL: UMA HISTÓRIA DE CINCO DÉCADAS

## CICLOS TERMODINÂMICOS E REGULAMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS NO BRASIL: UMA HISTÓRIA DE CINCO DÉCADAS

## Ana Cecilia Soja 1

1 Instituto Federal Fluminense - Campus Bom Jesus do Itabapoana, ac.soja@gmail.com

## Resumo

O estudo dos ciclos termodinâmicos faz parte do conteúdo programático de Física no Ensino Médio no Brasil. Particularmente, entre os ciclos estudados destacam-se os ciclos de Otto e Diesel, pois são os mais utilizados para veículos automotores no país. De maneira simplificada, é estabelecido que o ciclo de Otto, utilizado principalmente em veículos de passeio movidos a gasolina ou etanol, tem como principal vantagem sua simplicidade de fabricação. Já o ciclo de Diesel é reservado para veículos de grande porte desde os anos 1970, normalmente de carga, como caminhões, visto que sua principal vantagem é a eficiência, apesar do custo elevado. Isso ia na contramão da maioria de países no mundo, que utilizavam amplamente o diesel em veículo de passeio. Uma análise mais criteriosa da legislação e do panorama histórico dos últimos cinquenta anos mostra que o principal motivador para essa regulamentação foi econômico, uma vez que a fabricação de motores a diesel demanda um custo maior e também pela dificuldade de compra deste combustível. De fato, na mesma década se iniciou no país o programa de incentivo ao etanol como principal combustível. A limitação do uso do diesel para veículos de passeio segue no país, porém sob uma nova perspectiva: a diminuição da emissão de poluentes. Válidas desde os anos 2010, as regulamentações atuais visam a proteção ambiental da qualidade do ar no país. O conhecimento sobre o histórico de leis e regulamentação, bem como o debate atual, tem o potencial de enriquecer o ensino dos ciclos termodinâmicos, promovendo o debate sobre a combinação de conceitos fundamentais da Física com políticas públicas que demandam igualmente a reflexão sobre impactos econômicos e ambientais, para além da análise puramente técnica.

Palavras-chave : Ciclos termodinâmicos. Combustíveis fósseis. Legislação.

## Introdução

O Brasil possui uma das maiores frotas de veículos automotivos do mundo, com mais de 60 milhões de unidades em circulação, entre carros de passeio, motocicletas e caminhões (Brasil, 2023). Sua frota tem um crescimento praticamente constante desde os anos 1970 e a tendência continua até hoje. Por exemplo, em 2022, o país foi o sexto maior mercado de veículos do mundo, com quase dois milhões de unidades comercializadas (Aquino, 2023). Mesmo com a popularização dos carros elétricos, com um aumento de mais de 500% das vendas em 2023, em números totais eles ainda representam menos de 5% dos veículos vendidos no Brasil (Cesar, 2024). Portanto, os motores movidos a combustão representam a principal força motriz da frota brasileira, tanto para carros de passeio quanto utilitários.

Nesse cenário onde os motores de combustão desempenham um papel fundamental no nosso cotidiano, é interessante que todos tenham contato com conhecimentos básicos que explicam seu funcionamento, o que está de acordo com uma das habilidades previstas na Base Nacional Comum Curricular (BNCC):

(EM13CN306) Avaliar os riscos envolvidos em atividades cotidianas, aplicando conhecimentos das Ciências da Natureza para justificar o uso de

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equipamento e recursos, bem como comportamentos de segurança, visando à integridade física, individual e coletiva, e socioambiental, podem fazer uso de dispositivos e aplicativos digitais que viabilizem a estruturação de simulações de tais riscos. (Brasil, 2018, p. 559)

Isso fica a cargo da disciplina de Física no Ensino Médio, sendo tradicionalmente discutido na parte de Termodinâmica no segundo ano dessa etapa da Educação Básica, especialmente quando se apresenta aos estudantes da Segunda Lei da Termodinâmica. No geral, a relação de conteúdos é a seguinte, de acordo com a matriz de referência do Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM):

O calor e os fenômenos térmicos - Conceitos de calor e de temperatura. Escalas termométricas. Transferência de calor e equilíbrio térmico. Capacidade calorífica e calor específico. Condução do calor. Dilatação térmica. Mudanças de estado físico e calor latente de transformação. Comportamento de Gases Ideais. Máquinas térmicas. Ciclo de Carnot. Leis da Termodinâmica. Aplicações e fenômenos térmicos de uso cotidiano. Compreensão de fenômenos climáticos relacionados ao ciclo da água. (Brasil, 2024, p. 18)

Para além do conteúdo técnico em si, as diretrizes curriculares também ressaltam a importância de relacioná-los com questões políticas, econômicas e ambientais:

(EMT13CNT309) Analisar questões socioambientais, políticas e econômicas relativas à dependência do mundo atual em relação aos recursos não renováveis e discutir a necessidade de introdução de alternativas e novas tecnologias energéticas e de materiais, comparando diferentes tipos de motores e processos de produção de novos materiais. (Brasil, 2018, p. 560)

Assim, é de fundamental importância que as diversas facetas do uso de motores de combustão como principal meio de geração de energia para transportes, seja de uso pessoal ou comercial de mercadorias e pessoas, sejam exploradas. No entanto, nossa busca mostrou uma ausência de artigos e materiais didáticos que reflitam sobre o tema a partir dessa perspectiva. A maioria dos trabalhos se dedicam a explorar maneiras inovadoras e experimentais de ensinar esses conceitos (e.g., Marques et. al, 2018, Silva, 2021, Mateazzo, 2022, Dias, 2022, Pereira e Gomes, 2016).

Quando se busca a interdisciplinaridade, nos moldes conceituais discutidos por Oliveira (2011, p.6), que apresenta o tema como 'como uma ponte entre não somente as disciplinas, como também entre o homem e o mundo', o mais comum é que apenas a questão ambiental seja amplamente debatida - visto que carros a combustão são o principal responsável pela emissão particular dos gases de efeitos estufa no país (Anderson, 2021). Trabalhos como o de Silva (2005) e Gouveia (2009) são exemplos dessa abordagem. Dessa forma, os aspectos políticos ficam negligenciados, o que impede uma discussão aprofundada e completa sobre o tema.

Diante dessa problemática, esse trabalho tem como propósito discutir a história da legislação que regulamenta o uso de combustíveis fósseis no Brasil, especialmente a gasolina e o diesel. Como resultado, espera-se a construção de um panorama histórico sobre o tema que possa ser correlacionado aos conhecimentos técnicos na área de Física do funcionamento de motores que usam esses combustíveis, propondo uma abordagem de ensino de física interdisciplinar, focada na interação homem e mundo.

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## Materiais e métodos

A pesquisa aqui proposta é teórica e se divide em duas partes. Na primeira, é realizada uma revisão conceitual dos ciclos Termodinâmicos de Otto e Diesel, apresentando suas principais características, benefícios e desvantagens. Tal trabalho tem como propósito fornecer a fundamentação teórica necessária para que as discussões do uso regular desses motores no cotidiano.

A etapa seguinte consiste em uma análise documental, tendo como principal fonte a legislação brasileira que regulamenta o uso de combustível fóssil para veículos tanto de passeio quanto de trabalho ao longo dos últimos cinquenta anos. A coleta e análise dos dados oriundos desses documentos se baseia na abordagem de Análise de Conteúdo de Bardin (2016), que considera não apenas o conteúdo do documento em si, mas também o contexto histórico que permite a compreensão mais aprofundada das significações das informações ali contidas.

Essa análise se divide nas seguintes etapas: a) escolha dos documentos a serem analisados, no caso, as leis e documentos regulatório implementados e ou discutidos sobre o tema combustíveis fósseis a partir dos anos 1960; b) codificação e caracterização dos documentos, a partir de seu conteúdo e c) a interpretação dos resultados obtidos do estudo documental.

## Desenvolvimento

Para entender as regulamentações dos motores de combustão, é importante primeiro ter claro seu funcionamento. Em linhas gerais, os motores movidos a gasolina operam no chamado Ciclo de Otto, enquanto os motores a diesel seguem o ciclo homônimo, ou seja, o Ciclo de Diesel. A seguir, são brevemente apresentados seus princípios de funcionamento.

## Ciclo de Otto

- O Ciclo de Otto data de 1876 e foi construído pelo engenheiro alemão em Nikolaus Otto, consistindo num motor de quatro tempos que tem por ignição a faísca. Ele foi rapidamente popularizado é adotado até os dias atuais, principalmente pela sua alta relação de compressão, o que possibilita uma grande eficiência térmica. As quatro fases do Ciclo de Otto são resumidas a seguir e representadas na Figura 01:
- 1. Fase de compressão: nela o ar e o combustível são comprimidos no cilindro, resultado no aumento da pressão e da temperatura.
- 2. Fase de Ignição e combustão: A mistura comprimida é incendiada por uma faísca (em motores a gasolina), o que causa uma rápida expansão dos gases e aumenta a pressão no cilindro.
- 3. Fase de expansão: o pistão se move para baixo forçado pela alta pressão, resultando em trabalho útil.
- 4. Fase de escape: o pistão sobe novamente e os gases da combustão são expulsos do cilindro.

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Figura 01: Direita : Representação esquemática das transformações termodinâmicas do Ciclo de Otto. Esquerda: as mesmas transformações representadas a partir dos movimentos das peças do motor. Fontes: https://makinandovelez.wordpress.com/2017/11/12/diagramapv-de-un-motor-de-ciclo-teorico-otto/ (direita) e https://embarcados.com.br/motores-decombustao-interna-ciclo-otto/ (esquerda)

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Esse ciclo traz inúmeras vantagens, como baixo custo de produção, menor ruído de vibração e simplicidade no sistema de alimentação. Além disso, é ótimo para climas frios, por ter um sistema de partida com faísca independente da temperatura do combustível. Elas tornam o ciclo de Otto atrativos para muitos veículos, principalmente quando o custo de produção é um fator importante.

No entanto, há de se considerar uma desvantagem importante, no caso, a menor eficiência térmica, que acarreta muitos outros efeitos pouco desejáveis, como o alto consumo de combustível e o menor torque em baixas rotações, tornando-o uma escolha pouco interessante para veículos de carga. Eles também têm pouca durabilidade quando comparados a outros motores.

## Ciclo de Diesel

O Ciclo de Diesel foi desenvolvido em 1893 pelo engenheiro Rudolf Diesel, que trouxe a inovação da ignição sem faísca, apenas com compressão. consistindo num motor de quatro tempos que tem por ignição a faísca. As fases do Ciclo de Diesel são resumidas a seguir e representadas na Figura 02:

- 1. Fase de compressão: o ar é comprimido no cilindro, elevando a pressão e temperatura no seu interior.
- 2. Fase de injeção e combustão: o combustível é injetado e ocorre a autoignição devido à alta temperatura, ocasionando a expansão dos gases.
- 3. Fase de expansão: o pistão se move para baixo forçado pela alta pressão, resultando em trabalho útil.
- 4. Fase de escape: o pistão sobe e expulsa os gases de combustão.

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Figura 02: Direita: Representação esquemática das transformações termodinâmicas do Ciclo de Diesel. Esquerda: as mesmas transformações representadas a partir dos movimentos das peças do motor. Fonte: https://makinandovelez.wordpress.com/2017 /11/23 /diagrama-pv-de-un-motor-de-ciclo-teorico-diesel/ (direita) e https://embarcados .com .br/motores-de-combustao-interna-ciclo-otto/ (esquerda)

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O Ciclo de Diesel tem alta eficiência térmica, o que lhe atribui um alto torque e melhor economia de combustível. Além disso, eles são mais duráveis e operam bem em altas altitudes quando comparados com motores do Ciclo Otto. Porém, há desvantagens, como menor desempenho em alta rotação, fazendo-os inapropriados para altas velocidades, o custo inicial para sua construção, já que requere uma tecnologia mais avançada e o maior índice de poluição.

## A legislação

A busca pelos momentos em que os legisladores se debruçaram sobre o tema resultou em 38 documentos, a maioria deles regulações técnicas emitidas pelas agências competentes, versava sobre aspectos como concentração e controle de qualidade dos combustíveis, o que é de pouco interesse para a análise. Assim sendo, todos os documentos classificados como pareces puramente técnicos foram retirados da amostra. Os cinco documentos restantes são discutidos a seguir.

Mesmo os motores baseados nos Ciclos de Otto e Diesel sendo utilizados regularmente desde o início do século XX, apenas na década de 1960 foram debatidas legislações específicas para sua regulamentação no Brasil. Nesse início, se destaca a portaria no. 346, de 19 de novembro de 1976, do então Ministério de Indústria e Comércio que proibiu o uso de motores a diesel em veículo com cargas inferiores a uma tonelada (Moreno, 2021). A proibição foi mantida em 1994, quando a portaria foi revisitada e já no primeiro artigo tem-se:

Art. 1° Fica proibido o consumo de óleo diesel como combustível nos veículos automotores de passageiros de carga e de uso misto, nacionais e importados, com capacidade de transporte inferior a 1.000 kg (mil quilogramas), computados os pesos do condutor, tripulantes, passageiros e da carga.

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§ 1° Para fins desta Portaria, considera-se que o peso de uma pessoa é de 70 kg (setenta quilogramas).

Nos anos subsequentes, as restrições de carro a diesel se mantiveram, tendo como principal justificativa a questão ambiental, visto que motores a diesel são mais poluentes quando comparados com aqueles movidos à gasolina, ou, principalmente, etanol. Em especial, a Resolução 958 de 17 de maio de 2022 do Conselho de Trânsito (CONTRAN) deixa mais rigorosas as regras de emissão de veículos de passeio movidos a Diesel, em sintonia com as limitações já impostas pela Resolução 492 de 20 de dezembro de 2019, do Programa de Controle da Poluição do Ar por veículos Automotores (PROCONVE) que desde 1986 vem controlando a emissão de poluição por veículos.

Além disso, desde 1975 há um incentivo para que o Brasil desenvolva tecnologia de carros a álcool, num programa conhecido como Pró-álcool, que já no primeiro artigo definia seus objetivos como:

Art. 1º. Fica instituído o Programa Nacional do Álcool visando ao atendimento das necessidades do mercado interno e externo e da política de combustíveis automotivos.

O resultado prático é que hoje quase 90% da frota brasileira é constituída por veículos denominados flex , ou seja, que podem operar tanto com etanol quanto com gasolina, sendo em muitos casos a mistura entre os dois mais eficiente. No entanto, estudos recentes mostram que apenas 30% dos carros com a opção flex utilizam o etanol como principal combustível. Isso se deve principalmente a fatores econômicos, pois para ser vantajoso o etanol deve ter um custo de pelo menos 70% do valor da gasolina (Folha, 2024).

## Considerações finais

A maioria dos veículos automotivos no Brasil e no mundo tem como principal fonte motriz motores de combustão que podem seguir o ciclo de Otto ou o ciclo de Diesel. Cada um desses motores traz vantagens e desvantagens técnicas. Em termos gerais, o ciclo de Otto é mais simples de ser fabricado e tem bons resultados para altas rotações. Também se destaca por sua independência em relação à temperatura, já que a ignição é feita por faísca. Já o ciclo de Diesel é mais eficiente (e poluente também), o que o torna ideal para veículos de grande porte.

Carros de passeio movidos a diesel se popularizaram no mundo todo nas décadas de 1960 e 1970, porém foram proibidos no Brasil a partir de 1976. Essa proibição teve motivações principalmente econômicas, visto que na década o mundo passava por uma crise do petróleo e países subdesenvolvidos foram desestimulados a utilizar essa fonte de energia para diminuir a demanda pelo produto. Somou-se a isso a dificuldade tecnológica e custo de produção de fabricar motores que operassem no ciclo Diesel, havia a questão da disponibilidade de combustível. Assim, eles ficaram limitados a veículos de carga e o país incentivou a produção de etanol.

Nos anos 1990, a revisão da lei manteve a proibição, por motivos não bem esclarecidos. Já a partir dos anos 2010, o debate sobre as limitações do uso amplo

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do diesel como combustível teve como principal motivador a questão de proteção ambiental, uma vez que ele é muito poluente.

Dessa forma, o histórico de regulamentação de motores no Brasil traça um exemplo interessante de como vários fatores são necessários, para além dos conceitos puramente técnicos, na construção de políticas públicas. De fato, do ponto de vista apenas físico, os motores que seguem o ciclo de Diesel são mais interessantes devido sua eficácia. Mas questões como poluição e potencialidades econômicos devem ser igualmente consideradas, tornando o cenário muito mais complexo.

- O conhecimento crítico desse trajeto histórico possibilita ao professor de física transpor a discussão puramente técnica a respeito dos ciclos termodinâmicos e sua relação com motores de combustão adotando uma análise interdisciplinar. Isso faz com que o conteúdo seja contextualizado e relacionado ao mundo em que vivemos, como apontam as diretrizes curriculares vigentes. Isso pode ser feito, por exemplo, a partir de uma pesquisa, pedindo aos alunos para investigarem quais os tipos de motores mais utilizados no Brasil e depois debatendo porque isso acontece. Outra possibilidade é trazer os documentos para a aula, como exemplo de que não são apenas os saberes técnicos que motivam as decisões políticas.

## Referências

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