Motoare termice Energia obinut din alimente i permite

• Motoare termice • Energia obţinută din alimente îţi permite să acţionezi asupra lumii în care trăieşti, încercând s−o transformi conform dorinţelor şi intereselor tale. • Dorinţele şi interesele omului modern depăşesc cu mult ceea ce ar putea fi făcut prin efort fizic propriu. Producţia mondială de energie (în 2004: 4, 3· 1019 J) a fost de 13 ori mare decât ceea ce am fi obţinut doar prin efort fizic uman (în medie, 5, 4· 108 J într−un an pentru fiecare persoană activă). Este ca şi când, pentru fiecare dintre noi ar lucra din greu 13 sclavi! • Aproximativ 80% din producţia de energie a omenirii este obţinută prin arderea combustibililor (cărbune, petrol, gaze n naturale). Aproximativ o jumătate din această energie este folosită pentru a fi tranformată (parţial!) în lucru mecanic. • Numim motor termic o maşină care transformă o parte din energia primită sub formă de căldură în lucru mecanic.

• Motorul unui automobil are nevoie de căldura degajată prin arderea unui combustibil pentru a funcţiona − este un motor termic • Prin arderea combustibilului, motorul automobilului primeşte energie sub formă de căldură şi transformă o parte din această energie în lucru mecanic. Astfel, roţile automobilului sunt menţinute în rotaţie şi automobilul se poate deplasa rapid, pe distanţe mari. Lucrul mecanic obţinut compensează efectele frecării cu solul şi cu aerul. • Cantitatea de combustibili naturali este limitată şi suntem interesaţi ca o cât mai mare parte din căldura eliberată prin ardere să fie transformată în lucru mecanic. • Numim randament al unui motor termic raportul dintre lucrul mecanic total şi cantitatea de căldură primită: •

Motorul Otto În 1867, Germanul Nicolaus August Otto a realizat un motor termic eficient: motorul Otto. Variante modernizate ale acestui motor sunt utilizate şi astăzi pe scară largă.

• Corpul motorul este alcătuit din unul sau mai mulţi cilindri cu piston

• În varianta funcţionând în patru timpi, succesiunea evenimentelor dintr−un ciclu este următoarea: • Timpul 1: Admisia. Pistonul delimitează iniţial în cilindru cel mai mic volum. Supapa de admisie este deschisă, iar cea de evacuare închisă. Pistonul este tras (prin rotirea axului motorului) şi în cilindru pătrunde un amestec de aer şi vapori combustibili (figura 1− 2 a). • Timpul 2: Compresia. La sfârşitul admisiei, pistonul delimitează în cilindru cel mai mare volum. Ambele supape sunt închise. Pistonul este împins (prin rotirea axului motorului) şi amestecul este comprimat (figura 1− 2 b).

• Timpul 3: Arderea. La sfârşitul compresiei, pistonul delimitează în cilindru cel mai mic volum. Ambele supape sunt închise. Amestecul combustibil este aprins printr−o scânteie produsă de bujie şi arde foarte rapid. Motorul primeşte căldură de la arderea combustibilului. Presiunea şi temperatura cresc brusc. Pistonul este împins de gazul care se destinde − motorul efectuează lucru mecanic! (figura 1− 2 c). • Timpul 4: Evacuarea. La sfârşitul arderii, pistonul delimitează iniţial în cilindru cel mai mare volum. Supapa de evacuare se deschide şi gazul din cilindru îşi reduce brusc presiunea. Pistonul este împins şi gazul este evacuat din cilindru (figura 1− 2 d).

• Această succesiune de evenimente se repetă de zeci de ori pe secundă, furnizând în timpii 3 suficientă energie sub formă de lucru mecanic pentru a menţine motorul în funcţiune, dar şi pentru a menţine în mişcare sistemul cuplat la motor.

• În timpul 1, admisia, volumul gazului din cilindru creşte practic la presiune şi temperatură constantă. Reprezentarea 0→ 1 a fost făcută punctat, deoarece în tot timpul acestui proces, numărul de moli de gaz din cilindru este variabil − transformarea nu este nici izobară, nici izotermă! • Timpul 2, compresia, este suficient de rapidă, astfel că poate fi aproximată prin adiabata 1→ 2. În acest proces, amestecul combustibil nu schimbă căldură şi primeşte lucru mecanic. Aproximând amestecul un gaz ideal, lucrul mecanic primit este: • • Temperatura amestecului creşte (T 2>T 1), ceea ce pune probleme de stabilitate a acestuia: amestecul nu trebuie să se autoaprindă înainte de finalizarea compresiei.

• Timpul 3, arderea, corespunde succesiunii de transformări 2→ 3→ 4. În starea 2 este declanşată scânteia, amestecul se aprinde şi arde. Presiunea şi temperatura cresc atât de repede încât pistonul practic nu se deplasează − procesul 2→ 3 este aproape izocor. Gazul nu efectuează lucru mecanic şi primeşte cantitatea de căldură: • • Imediat după aceasta, gazul se destinde suficient de rapid pentru a considera procesul ca fiind adiabatic. Gazul nu schimbă căldură şi efectuează lucrul mecanic: • • La începutul timpului 4, evacuarea, deschiderea supapei de evacuare provoacă o scăderea bruscă a presiunii şi temperaturii gazului din cilindru, aproape fără modificarea volumului. Procesul poate fi aproximat prin izocora 4→ 1. Gazul nu efectuează lucru mecanic şi cedează cantitatea de căldură: • • Evacuarea gazului din cilindru este reprezentată punctat, deoarece numărul de moli este variabil.

• Evacuarea gazului din cilindru este reprezentată punctat, deoarece numărul de moli este variabil. • Poţi calcula acum randamentul ciclului Otto: • Raportul volumelor extreme ale ciclului, , este numit raport de compresie, astfel că: • Cu acestea, randamentul ciclului Otto este:

• În practică, raportul de compresie tipic al unui motor Otto este în gama 8. . . 12, fiind limitat de calităţile combustibilului folosit.

• Motorul Diesel • În 1897, germanul Rudolf Diesel a realizat un motor mai eficient decât cel al lui Otto, comprimând doar aer (neamestecat cu combustibil). Este evitată astfel autoaprinderea combustibilului, iar raportul de compresie poate fi mărit foarte mult.

• Combustibilul este introdus în cilindrul motorului doar la sfârşitul compresiei, aprinzându−se în contact cu aerul suficient de fierbinte. • Arderea combustibilului este mai lentă, făcându−se pe măsură ce acesta pătrunde în cilindru. Transformarea este aproape o izobară

este raportul de compresie al motorului. este raportul de destindere izobară expresia finală a randamentului ciclului Diesel • Motoarele Diesel funcţionează cu randament mai mare decât cele Otto şi pot utiliza combustibili mai ieftini (cum este motorina), neexistând pericolul autoaprinderii în timpul compresiei. • Cu toate acestea, motoarele Diesel prezintă dezavantajul unei funcţionări mai lente − arderea combustibilului se face treptat, pe măsura introducerii acestuia în cilindru. Aceasta conduce la motoare mai masive, la aceeaşi putere dezvoltată (putere specifică mică). • Motoarele moderne funcţionează după o combinaţie a ciclurilor Otto şi Diesel, păstrând parte din avantajele fiecăruia: randamente ridicate şi puteri specifice mari

Funcţionarea unui motor modern, cu patru supape pentru fiecare cilindru şi injecţie de benzină.

• Pompa termică şi frigiderul • Motoarele termice transferă lucru mecanic mediului pe seama energiei primită sub formă de căldură de la acesta În destinderile de pe parcursul ciclului termodinamic, motorul efectuează mai mult lucru mecanic decât în compresiile de pe parcursul ciclului: în coordonate p−V ciclul este parcurs în sensul acelor de ceas

• Provocarea • Ce te aştepţi să se întâmple dacă ciclul ar fi parcurs în sens invers?

• Dacă ciclul ar fi parcurs în sens invers, s−ar inversa toate transferurile de energie! Inversarea sensului parcurgerii ciclului conduce la inversarea tuturor transferurilor de energie. Aceasta înseamnă că motorul "inversat" trebuie să i se transfere lucru mecanic net, dar va prelua energie sub formă de căldură dintr−o zonă rece şi o va transfera într−o zonă cu temperatură mai mare! Motorul inversat devine o "pompă" care determină trecerea energiei sub formă de căldură dintr−o zonă rece într−una mai caldă.

• Numim pompă termică o maşină care transferă energie sub formă de căldură de la o zonă mai rece către una mai caldă, utilizând energie sub formă de lucru mecanic. • Scopul utilizării unei pompe termice este să încălzim zona mai caldă. Pentru aceasta trebuie utilizată energie sub formă de lucru mecanic. Suntem interesaţi să obţinem cât mai multă energie sub formă de căldură, utilizând cât mai puţină energie sub formă de lucru mecanic. • Numim eficienţa unei pompe termice raportul dintre cantitatea de căldură obţinută în zona mai caldă şi lucrul mecanic utilizat:

• Uneori suntem interesaţi să răcim şi să menţinem rece o zonă aflată într−un mediu mai cald. • Numim maşină frigorifică o maşină care răceşte o zonă şi o menţine rece extrăgând de aici energie sub formă de căldură şi transferând−o unei zone mai calde. • Frigiderul este o maşină frigorifică: acesta răceşte şi menţine rece compartimentul său interior, transferând căldură încăperii în care frigiderul funcţionează.

• Provocarea Caută în spatele frigiderului. Vei găsi un radiator de căldură − o serpentină cu aripioare de răcire • Testează dacă radiatorul este mai cald decât aerul din încăpere. Încotro este transferată căldură?

• Frigiderul utilizează un agent frigorific − o substanţă cu temperatură coborâtă de fierbere. Frigiderele mai noi utilizează propanul. Acesta este preferat freonului utilizat în frigiderele mai vechi, datorită efectului distructiv asupra stratului de ozon din atmosferă pe care îl are freonul. • Vaporii agentului frigorific sunt comprimaţi în compresor. Acesta esteacţionat de un motor electric, care transferă frigiderului energie sub formă de lucru mecanic (pe seama energiei electrice utilizată). • Vaporii comprimaţi trec prin serpentina radiatorului şi transferă căldură mediului. Răcindu−se, vaporii se lichefiază. Lichidul obţinut este trecut printr−un tub foarte subţire (tub capilar), micşorându−şi mult presiunea. • Reducându−şi presiunea, lichidul vaporizează, preluând astfel căldură din compartimentul interior al frigiderului. • Vaporii rezultaţi sunt preluaţi de compresor şi ciclul se reia. Astfel, compartimentul interior al frigiderului se răceşte şi este menţinut rece.