Motor termic: definiție, tipuri și exemple

Motoarele termice sunt în jurul tău. De la mașina pe care o conduceți până la frigiderul care vă menține mâncarea rece până la sistemele de încălzire și răcire ale casei, toate funcționează pe baza acelorași principii cheie.

Scopul oricărui motor termic este de a transforma energia termică în muncă utilă și există multe abordări diferite pe care le puteți folosi pentru a face acest lucru. Una dintre cele mai simple forme de motor termic este motorul Carnot, numit după fizicianul francez Nicolas Leonard Sadi Carnot, construit în jurul unui proces idealizat în patru etape, care depinde de adiabatic și izoterm etape.

Dar motorul Carnot este doar un exemplu de motor termic și multe alte tipuri ating același obiectiv de bază. Învățarea modului în care funcționează motoarele termice și cum se fac lucruri precum calcularea eficienței unui motor termic este importantă pentru oricine studiază termodinamica.

Un motor termic este un sistem termodinamic care convertește energia termică în energie mecanică. Deși multe modele diferite se încadrează în această rubrică generală, mai multe componente de bază se găsesc în aproape orice motor termic.

Orice motor termic are nevoie de o baie de căldură sau de o sursă de căldură la temperatură ridicată, care poate lua multe forme diferite (de exemplu, un reactor nuclear este sursa de căldură dintr-o centrală nucleară, dar în multe cazuri arderea combustibilului este utilizată ca căldură sursă). În plus, trebuie să existe un rezervor de temperatură scăzută la rece, precum și motorul în sine, care este de obicei gaz care se extinde atunci când se aplică căldură.

Motorul absoarbe căldura din rezervorul fierbinte și se extinde, iar acest proces de expansiune este ceea ce funcționează asupra mediului, de obicei valorificat într-o formă utilizabilă cu un piston. Apoi, sistemul eliberează energia termică înapoi în rezervorul rece și revine la starea inițială. Procesul se repetă apoi, iar și iar, într-un mod ciclic, pentru a genera în mod continuu lucrări utile.

Ciclurile termodinamice sau ciclurile motorului sunt un mod generic de a descrie multe sisteme termodinamice specifice care funcționează în maniera ciclică comună majorității motoarelor termice. Cel mai simplu exemplu de motor termic care funcționează cu cicluri termodinamice este motorul Carnot sau un motor care funcționează pe baza ciclului Carnot. Aceasta este o formă idealizată de motor termic care implică doar procese reversibile, în special compresie și expansiune adiabatică și izotermă.

Toate motoarele cu ardere internă funcționează pe ciclul Otto, care este un alt tip de ciclu termodinamic care folosește aprinderea combustibilului pentru a lucra pe un piston. În prima etapă, pistonul cade pentru a trage un amestec combustibil-aer în motor, care este apoi comprimat adiabatic în a doua etapă și aprins în a treia.

Există o creștere rapidă a temperaturii și a presiunii, care funcționează asupra pistonului prin expansiune adiabatică, înainte de deschiderea supapei de evacuare, ceea ce duce la o reducere a presiunii. În cele din urmă, pistonul se ridică pentru a elimina gazele consumate și pentru a finaliza ciclul motorului.

Un alt tip de motor termic este motorul Stirling, care conține o cantitate fixă ​​de gaz care se deplasează între doi cilindri diferiți în diferite etape ale procesului. Prima etapă implică încălzirea gazului pentru a crește temperatura și a produce o presiune ridicată, care mișcă un piston pentru a oferi o muncă utilă.

Pistonul se ridică apoi înapoi și împinge gazul într-un al doilea cilindru, unde este răcit de frig rezervor înainte de a fi comprimat din nou, un proces care necesită mai puțină muncă decât a fost produs în precedent etapă. În cele din urmă, gazul este mutat înapoi în camera originală, unde ciclul motorului Stirling se repetă.

Eficiența unui motor termic este raportul dintre puterea de lucru utilă și energia termică sau intrarea de energie termică și rezultatul este întotdeauna o valoare între 0 și 1, fără unități, deoarece atât energia termică, cât și puterea de lucru sunt măsurate în jouli. Aceasta înseamnă că dacă ai avea unperfectmotor termic, ar avea o eficiență de 1 și ar transforma toată energia termică în muncă utilizabilă și dacă ar reuși să convertească jumătate din eficiență ar fi 0,5. Într-o formă de bază, formula poate fi scris:

Desigur, este imposibil ca un motor termic să aibă o eficiență de 1, deoarece a doua lege a termodinamicii dictează că orice sistem închis va crește în entropie în timp. Deși există o definiție matematică precisă a entropiei pe care o puteți folosi pentru a înțelege acest lucru, cel mai simplu mod de a Gândiți-vă este că ineficiențele inerente în orice proces duc la o anumită pierdere de energie, de obicei sub formă de deșeuri căldură. De exemplu, pistonul unui motor va avea, fără îndoială, unele fricțiuni care acționează împotriva mișcării sale, ceea ce înseamnă că sistemul va pierde energie în procesul de transformare a căldurii în lucru.

Eficiența teoretică maximă a unui motor termic se numește eficiența Carnot. Ecuația pentru aceasta raportează temperatura rezervorului fierbinteT​_H și rezervor receT​_C la eficiență (η) a motorului.

Puteți înmulți rezultatul cu 100 dacă doriți să exprimați răspunsul ca procent. Este important să ne amintim că acesta esteteoreticmaxim - este puțin probabil ca vreun motor din lumea reală să abordeze cu adevărat eficiența Carnot în practică.

Important de reținut este că maximizați eficiența motoarelor termice prin creșterea diferenței de temperatură între rezervorul cald și rezervorul rece. Pentru un motor de automobile,T​_H este temperatura gazelor din interiorul motorului atunci când este ars șiT​_C este temperatura la care sunt împinse afară din motor.

Motorul cu aburi și turbinele cu abur sunt două dintre cele mai cunoscute exemple de motoare termice și inventarea mașinii cu aburi a fost un eveniment istoric important în industrializarea din societate. Un motor cu aburi funcționează într-un mod foarte asemănător cu celelalte motoare termice discutate până acum: un cazan transformă apa în abur, care este trimis într-un cilindru care conține un piston, iar presiunea ridicată a aburului mișcă cilindru.

Aburul transferă o parte din energia termică către cilindru, devenind mai răcoros în proces, iar atunci când pistonul a fost complet împins afară, aburul rămas este eliberat din cilindru. În acest moment, pistonul revine la poziția inițială (uneori aburul este direcționat către celălalt laterală a pistonului, astfel încât să-l poată împinge și înapoi), iar ciclul termodinamic începe din nou cu mai mult abur.

Acest design relativ simplu permite să se producă o cantitate mare de lucru util din orice lucru capabil să fiarbă apa. Eficiența unui motor termic cu acest design depinde de diferența dintre temperatura aburului și cea a aerului înconjurător. O locomotivă cu aburi folosește lucrările create din acest proces pentru a roti roțile și a propulsa trenul.

O turbină cu abur funcționează într-un mod foarte asemănător, cu excepția faptului că se lucrează la întoarcerea unei turbine în loc să se deplaseze un piston. Acesta este un mod deosebit de util de a genera electricitate din cauza mișcării de rotație generate de abur.

Motorul cu ardere internă funcționează pe baza ciclului Otto descris mai sus, cu aprindere prin scânteie folosită pentru motoarele pe benzină și aprindere prin compresie folosită pentru motoarele diesel. Principala diferență dintre acestea este modul în care amestecul combustibil-aer este aprins, amestecul combustibil-aer fiind comprimat și apoi aprins fizic în motoarele pe benzină și combustibilul fiind pulverizat în aer comprimat în motoarele diesel, provocând aprinderea acestuia din temperatura.

În afară de aceasta, restul ciclului Otto este finalizat așa cum s-a descris anterior: Combustibilul este tras în motor (sau doar aerul pentru motorină), comprimat, aprins (de o scânteie pentru combustibil și pulverizarea combustibilului în aerul cald, comprimat pentru motorină), ceea ce face o muncă utilizabilă pe piston prin expansiune adiabatică, apoi supapa de evacuare se deschide pentru a reduce presiunea, iar pistonul împinge afară gaz uzat.

Pompele de căldură, aparatele de aer condiționat și frigiderele funcționează și pe o formă de ciclu de căldură. De exemplu, în ciclul de încălzire al unei pompe de căldură, agentul frigorific absoarbe căldura din aerul exterior din cauza temperaturii sale mai scăzute (deoarece călduramereucurge de la cald la rece) și este apoi împins printr-un compresor pentru a-și crește presiunea și, prin urmare, temperatura.

Acest aer mai fierbinte este apoi mutat în condensator, lângă camera de încălzit, unde același proces transferă căldura în cameră. În cele din urmă, agentul frigorific este mutat într-o supapă care scade presiunea și, prin urmare, temperatura, gata pentru un alt ciclu de încălzire.

În ciclul de răcire (ca într-o unitate de aer condiționat sau frigider), procesul se desfășoară în esență invers. Agentul frigorific absoarbe energia termică din cameră (sau din interiorul frigiderului), deoarece este păstrat la temperatura camerei temperatura rece, apoi este împins prin compresor pentru a crește presiunea și temperatura.

În acest moment, se deplasează în exteriorul camerei (sau în partea din spate a frigiderului), unde energia termică este transferată în aerul rece din exterior (sau în camera înconjurătoare). Agentul frigorific este apoi trimis prin supapă pentru a reduce presiunea și temperatura, citind pentru un alt ciclu de încălzire.

Deoarece scopul acestor procese este opusul exemplelor de motoare, expresia pentru eficiența unei pompe de căldură sau a unui frigider este, de asemenea, diferită. Cu toate acestea, acest lucru este destul de previzibil. Pentru încălzire:

Și pentru răcire:

UndeÎtermenii sunt pentru energia termică mutată în cameră (cu indicele H) și mutată din ea (cu indicele C) șiW​_în este intrarea de lucru în sistem sub formă de electricitate. Din nou, această valoare este un număr adimensional între 0 și 1, dar puteți înmulți rezultatul cu 100 pentru a obține un procent, dacă preferați.

Centralele sau centralele electrice sunt cu adevărat doar o altă formă de motor termic, indiferent dacă creează căldură folosind un reactor nuclear sau prin arderea combustibilului. Sursa de căldură este utilizată pentru a deplasa turbine și, prin urmare, pentru a face lucrări mecanice, folosind adesea abur din apă încălzită pentru a roti o turbină cu abur, care generează electricitate în modul descris mai sus. Ciclul precis de căldură utilizat poate varia între centrale, dar ciclul Rankine este frecvent utilizat.

Ciclul Rankine începe cu sursa de căldură care ridică temperatura apei, apoi expansiunea vaporilor de apă într-un turbină, urmată de condensul din condensator (eliberând căldură reziduală în proces), înainte ca apa răcită să ajungă la o pompa. Pompa crește presiunea apei și o pregătește pentru încălzire ulterioară.