Motore termico: definizione, tipi ed esempi

I motori termici sono tutt'intorno a te. Dall'auto che guidi al frigorifero che mantiene il cibo fresco ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento della tua casa, funzionano tutti sulla base degli stessi principi chiave.

L'obiettivo di qualsiasi motore termico è convertire l'energia termica in lavoro utile e ci sono molti approcci diversi che puoi usare per farlo. Una delle forme più semplici di motore termico è il motore di Carnot, dal nome del fisico francese Nicolas Leonard Sadi Carnot, costruito attorno a un processo idealizzato in quattro fasi che dipende da adiabatico e isotermico fasi.

Ma il motore di Carnot è solo un esempio di motore termico e molti altri tipi raggiungono lo stesso obiettivo di base. Imparare come funzionano i motori termici e come fare cose come calcolare l'efficienza di un motore termico è importante per chiunque studi la termodinamica.

Un motore termico è un sistema termodinamico che converte l'energia termica in energia meccanica. Sebbene molti design diversi rientrino in questa intestazione generale, diversi componenti di base si trovano praticamente in qualsiasi motore termico.

Qualsiasi motore termico necessita di un bagno di calore o di una fonte di calore ad alta temperatura, che può assumere molte forme diverse (ad esempio, un reattore nucleare è la fonte di calore in una centrale nucleare, ma in molti casi il combustibile bruciato viene utilizzato come calore fonte). Inoltre, deve esserci un serbatoio freddo a bassa temperatura, così come il motore stesso, che di solito è un gas che si espande quando viene applicato il calore.

Il motore assorbe calore dal serbatoio caldo e si espande, e questo processo di espansione è ciò che funziona sull'ambiente, solitamente imbrigliato in una forma utilizzabile con un pistone. Il sistema quindi rilascia energia termica nel serbatoio freddo e ritorna al suo stato iniziale. Il processo si ripete poi, più e più volte in modo ciclico al fine di generare continuamente lavoro utile.

I cicli termodinamici o cicli del motore sono un modo generico per descrivere molti sistemi termodinamici specifici che funzionano nel modo ciclico comune alla maggior parte dei motori termici. L'esempio più semplice di motore termico funzionante con cicli termodinamici è il motore di Carnot o un motore funzionante basato sul ciclo di Carnot. Questa è una forma idealizzata di motore termico che coinvolge solo processi reversibili, in particolare compressione ed espansione adiabatica e isotermica.

Tutti i motori a combustione interna operano sul ciclo Otto, che è un altro tipo di ciclo termodinamico che utilizza l'accensione del carburante per lavorare su un pistone. Nel primo stadio il pistone scende per aspirare una miscela aria-carburante nel motore, che viene poi compressa adiabaticamente nel secondo stadio e accesa nel terzo.

C'è un rapido aumento della temperatura e della pressione, che agisce sul pistone attraverso l'espansione adiabatica, prima che la valvola di scarico si apra, portando a una riduzione della pressione. Infine, il pistone si alza per eliminare i gas consumati e completare il ciclo del motore.

Un altro tipo di motore termico è il motore Stirling, che contiene una quantità fissa di gas che si muove tra due diversi cilindri in diverse fasi del processo. La prima fase prevede il riscaldamento del gas per aumentare la temperatura e produrre un'alta pressione, che muove un pistone per fornire un lavoro utile.

Il pistone poi risale e spinge il gas in un secondo cilindro, dove viene raffreddato dal freddo serbatoio prima di essere nuovamente compresso, un processo che richiede meno lavoro rispetto al precedente palcoscenico. Infine, il gas viene riportato nella camera originale, dove si ripete il ciclo del motore Stirling.

L'efficienza di un motore termico è il rapporto tra la produzione di lavoro utile e il calore o l'input di energia termica e il il risultato è sempre un valore compreso tra 0 e 1, senza unità perché sia ​​l'energia termica che la resa di lavoro sono misurate in joule. Ciò significa che se avessi unPerfettomotore termico, avrebbe un'efficienza di 1 e converte tutta l'energia termica in lavoro utilizzabile, e se riuscisse a convertirne la metà, l'efficienza sarebbe 0,5. In una forma base, la formula può essere scritto:

Naturalmente, è impossibile per un motore termico avere un'efficienza di 1, perché la seconda legge della termodinamica impone che qualsiasi sistema chiuso aumenterà di entropia nel tempo. Sebbene ci sia una precisa definizione matematica di entropia che puoi usare per capirlo, il modo più semplice per pensarci è che le inefficienze intrinseche in qualsiasi processo portano a qualche perdita di energia, solitamente sotto forma di spreco calore. Ad esempio, il pistone di un motore avrà senza dubbio un certo attrito che lavora contro il suo movimento, il che significa che il sistema perderà energia nel processo di conversione del calore in lavoro.

L'efficienza massima teorica di un motore termico è chiamata efficienza di Carnot. L'equazione per questo riguarda la temperatura del serbatoio caldoT​_H e serbatoio freddoT​_C all'efficienza (η) del motore.

Puoi moltiplicare il risultato per 100 se vuoi esprimere la risposta in percentuale. È importante ricordare che questo è ilteoricomassimo: è improbabile che un motore del mondo reale si avvicini davvero all'efficienza di Carnot nella pratica.

La cosa importante da notare è che si massimizza l'efficienza dei motori termici aumentando la differenza di temperatura tra il serbatoio caldo e il serbatoio freddo. Per un motore di automobile,T​_H è la temperatura dei gas all'interno del motore durante la combustione, eT​_C è la temperatura alla quale vengono spinti fuori dal motore.

Il motore a vapore e le turbine a vapore sono due degli esempi più noti di motore termico e l'invenzione della macchina a vapore fu un importante evento storico nell'industrializzazione di società. Un motore a vapore funziona in modo molto simile agli altri motori termici discussi finora: una caldaia trasforma l'acqua in vapore, che viene inviato in un cilindro contenente un pistone, e l'alta pressione del vapore muove il cilindro.

Il vapore trasferisce parte dell'energia termica al cilindro, raffreddandosi durante il processo, quindi quando il pistone è stato completamente spinto fuori, il vapore rimanente viene fatto uscire dal cilindro. A questo punto il pistone ritorna nella sua posizione originale (a volte il vapore viene convogliato all'altro lato del pistone in modo che possa anche spingerlo indietro) e il ciclo termodinamico ricomincia con più vapore.

Questo design relativamente semplice consente di produrre una grande quantità di lavoro utile da qualsiasi cosa in grado di far bollire l'acqua. L'efficienza di un motore termico con questo design dipende dalla differenza tra la temperatura del vapore e quella dell'aria circostante. Una locomotiva a vapore utilizza il lavoro creato da questo processo per far girare le ruote e spingere il treno.

Una turbina a vapore funziona in modo molto simile, tranne per il fatto che il lavoro consiste nel far girare una turbina invece di muovere un pistone. Questo è un modo particolarmente utile per generare elettricità a causa del movimento rotatorio generato dal vapore.

Il motore a combustione interna funziona secondo il ciclo Otto sopra descritto, con accensione a scintilla utilizzata per i motori a benzina e accensione per compressione utilizzata per i motori diesel. La differenza principale tra questi è il modo in cui viene accesa la miscela aria-carburante, con la miscela aria-carburante che viene compressa e quindi incendiato fisicamente nei motori a benzina e carburante spruzzato nell'aria compressa nei motori diesel, provocandone l'accensione dal temperatura.

A parte questo, il resto del ciclo Otto viene completato come descritto in precedenza: Il carburante viene aspirato nel motore (o solo aria per diesel), compresso, acceso (da una scintilla per il carburante e spruzzando carburante nell'aria calda e compressa per il diesel), che fa un lavoro utile sul pistone tramite espansione adiabatica, quindi la valvola di scarico si apre per ridurre la pressione, e il pistone spinge fuori il gas usato.

Anche le pompe di calore, i condizionatori d'aria e i frigoriferi funzionano tutti su una forma di ciclo di calore, sebbene abbiano l'obiettivo diverso di utilizzare il lavoro per spostare l'energia termica piuttosto che il contrario. Ad esempio, nel ciclo di riscaldamento di una pompa di calore, il refrigerante assorbe calore dall'aria esterna a causa della sua temperatura più bassa (poiché il caloresemprescorre da caldo a freddo), e viene poi spinto attraverso un compressore per aumentare la sua pressione e quindi la sua temperatura.

Quest'aria più calda viene poi trasferita al condensatore, vicino al locale da riscaldare, dove lo stesso processo cede calore al locale. Infine il refrigerante viene fatto passare in una valvola che abbassa la pressione e quindi la temperatura, pronto per un altro ciclo di riscaldamento.

Nel ciclo frigorifero (come in un condizionatore o in un frigorifero) il processo avviene essenzialmente al contrario. Il refrigerante assorbe energia termica dalla stanza (o all'interno del frigorifero) perché è mantenuto a temperatura fredda, quindi viene spinto attraverso il compressore per aumentare la pressione e temperatura.

A questo punto si sposta all'esterno della stanza (o sul retro del frigorifero), dove l'energia termica viene trasferita all'aria esterna più fresca (o all'ambiente circostante). Il refrigerante viene quindi inviato attraverso la valvola per abbassare la pressione e la temperatura, leggendo per un altro ciclo di riscaldamento.

Poiché l'obiettivo di questi processi è l'opposto degli esempi di motore, anche l'espressione per l'efficienza di una pompa di calore o di un frigorifero è diversa. Questo è abbastanza prevedibile nella forma, però. Per il riscaldamento:

E per il raffreddamento:

Dove ilQi termini sono per l'energia termica spostata nella stanza (con il pedice H) e spostata fuori (con il pedice C) eW​_nel è il lavoro immesso nel sistema sotto forma di elettricità. Di nuovo, questo valore è un numero adimensionale compreso tra 0 e 1, ma puoi moltiplicare il risultato per 100 per ottenere una percentuale, se preferisci.

Le centrali elettriche o le centrali elettriche sono in realtà solo un'altra forma di motore termico, sia che creino calore utilizzando un reattore nucleare o bruciando combustibile. La fonte di calore viene utilizzata per spostare le turbine e quindi eseguire lavori meccanici, spesso utilizzando il vapore dell'acqua riscaldata per far girare una turbina a vapore, che genera elettricità nel modo sopra descritto. Il ciclo di calore preciso utilizzato può variare tra le centrali elettriche, ma il ciclo Rankine è comunemente usato.

Il ciclo Rankine inizia con la fonte di calore che aumenta la temperatura dell'acqua, quindi l'espansione del vapore acqueo in a turbina, seguita dalla condensazione nel condensatore (liberando calore di scarto nel processo), prima che l'acqua raffreddata vada a un pompa. La pompa aumenta la pressione dell'acqua e la prepara per un ulteriore riscaldamento.