I motori termici ti circondano. Dall'auto che guidi al frigorifero che mantiene il tuo cibo fresco ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento della tua casa, funzionano tutti secondo gli stessi principi chiave.

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

Ma il motore 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 termodinamica.
Cos'è un motore termico?

Un motore termico è un sistema termodinamico che si converte energia termica in energia meccanica. Sebbene molti progetti diversi rientrino in questa voce generale, numerosi 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 ( per esempio, un reattore nucleare è la fonte di calore in una centrale nucleare, ma in molti casi il combustibile che brucia viene utilizzato come fonte di calore). Inoltre, ci deve essere un serbatoio freddo a bassa temperatura, così come il motore stesso, che di solito è gas che si espande quando viene applicato il calore.

Il motore assorbe il calore dal serbatoio caldo e si espande, e questa espansione il processo è ciò che funziona sull'ambiente, di solito sfruttato in una forma utilizzabile con un pistone. Il sistema quindi rilascia nuovamente energia termica nel serbatoio freddo e ritorna al suo stato iniziale. Il processo si ripete quindi ripetutamente in modo ciclico al fine di generare continuamente lavoro utile.
Tipi di motore termico

I cicli termodinamici o i 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 un motore termico che funziona con cicli termodinamici è il motore Carnot o un motore che funziona in base al ciclo Carnot. Si tratta di 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 funzionano sul ciclo Otto, che è un altro tipo di ciclo termodinamico che utilizza l'accensione di carburante per fare lavori su un pistone. Nel primo stadio, il pistone scende per aspirare una miscela aria-carburante nel motore, che viene quindi compressa in modo adiabatico nel secondo stadio e accesa nel terzo.

C'è un rapido aumento della temperatura e della pressione, che agisce sul pistone attraverso un'espansione adiabatica, prima che si apra la valvola di scarico, portando a una riduzione della pressione. Infine, il pistone si alza per eliminare i gas esausti 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 sposta tra due diversi cilindri in diversi stadi del processi. Il primo stadio prevede il riscaldamento del gas per aumentare la temperatura e produrre una pressione elevata, che sposta un pistone per fornire un lavoro utile.

Il pistone quindi si rialza e spinge il gas in un secondo cilindro, dove si trova raffreddato dal serbatoio freddo prima di essere nuovamente compresso, un processo che richiede meno lavoro rispetto a quello prodotto nella fase precedente. Infine, il gas viene riportato nella camera originale, dove si ripete il ciclo del motore Stirling.
Efficienza dei motori termici

L'efficienza di un motore termico è il rapporto tra il rendimento utile del lavoro e il calore o l'energia termica input e il risultato è sempre un valore compreso tra 0 e 1, senza unità poiché sia l'energia termica che la potenza di lavoro sono misurate in joule. Ciò significa che se avessi un motore termico perfetto, avrebbe un'efficienza pari a 1 e convertiresti tutta l'energia termica in lavoro utilizzabile e se riuscisse a convertirne metà, l'efficienza sarebbe 0,5. In una forma base, la formula può essere scritta:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Heat energy}}

Naturalmente, per un motore termico è impossibile hanno un'efficienza pari a 1, poiché la seconda legge della termodinamica stabilisce che qualsiasi sistema chiuso aumenterà nel tempo con l'entropia. Sebbene ci sia una definizione matematica precisa di entropia che puoi usare per capirlo, il modo più semplice di pensarci è che le inefficienze intrinseche in qualsiasi processo portano ad una perdita di energia, di solito sotto forma di calore residuo. Ad esempio, il pistone di un motore avrà indubbiamente un certo attrito contro il suo movimento, il che significa che il sistema perderà energia nel processo di conversione del calore in lavoro.

La massima efficienza teorica di un motore termico è chiamata Efficienza di Carnot. L'equazione per questo riguarda la temperatura del serbatoio caldo T
_{H e serbatoio freddo T
C all'efficienza ( η
) del motore.
η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

Puoi moltiplicare il risultato per 100 se vuoi esprimere la risposta in percentuale. È importante ricordare che questo è il massimo teorico
- è improbabile che qualsiasi motore del mondo reale si avvicini realmente all'efficienza di Carnot in pratica.

La cosa importante da notare è che massimizzi il efficienza dei motori termici aumentando la differenza di temperatura tra il serbatoio caldo e il serbatoio freddo. Per un motore automobilistico, T
_{H è la temperatura dei gas all'interno del motore quando bruciato, e T
C è la temperatura alla quale vengono spinti fuori il motore.
Esempi del mondo reale - Motore a vapore}

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

Il vapore trasferisce parte dell'energia termica al cilindro, diventando più freddo nel processo, e quindi quando il pistone è stato completamente espulso, il vapore rimanente viene rilasciato dal cilindro. A questo punto, il pistone ritorna nella sua posizione originale (a volte il vapore viene instradato dall'altra parte del pistone in modo da poterlo spingere indietro) e il ciclo termodinamico ricomincia da capo con più vapore.

Questo design relativamente semplice consente di produrre una grande quantità di lavoro utile da qualsiasi cosa in grado di 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 girare le ruote e spingere il treno.

Una turbina a vapore funziona in modo molto simile, tranne per il fatto che il lavoro va a 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.
Esempi del mondo reale - Motore a combustione interna

Il motore a combustione interna funziona in base al ciclo Otto sopra descritto, con scintilla accensione usata per motori a benzina e accensione spontanea usata per motori diesel. La principale differenza tra questi è il modo in cui la miscela carburante-aria viene accesa, con la miscela carburante-aria che viene compressa e quindi accesa fisicamente nei motori a benzina e il carburante viene spruzzato nell'aria compressa nei motori diesel, provocandone l'accensione dalla 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 il diesel), compresso, acceso (da una scintilla per il carburante e spruzzando il carburante in l'aria calda e compressa per il diesel), che fa un lavoro utilizzabile sul pistone attraverso l'espansione adiabatica, quindi la valvola di scarico si apre per ridurre la pressione e il pistone spinge fuori il gas usato.
Esempi del mondo reale - Pompe di calore, Condizionatori d'aria e frigoriferi

Anche le pompe di calore, i condizionatori d'aria e i frigoriferi funzionano su una forma di ciclo termico, 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 il calore dall'aria esterna a causa della sua temperatura più bassa (poiché il calore passa sempre da caldo a freddo) e viene quindi spinto attraverso un compressore per aumentare la sua pressione e quindi la sua temperatura.

Questa aria più calda viene quindi trasferita al condensatore, vicino alla stanza da riscaldare, dove lo stesso processo trasferisce il calore nella stanza. Infine, il refrigerante viene spostato in una valvola che abbassa la pressione e quindi la temperatura, pronto per un altro ciclo di riscaldamento.

Nel ciclo di raffreddamento (come in un'unità di condizionamento dell'aria o in un frigorifero) il processo essenzialmente si avvia in retromarcia. Il refrigerante assorbe energia termica dalla stanza (o all'interno del frigorifero) perché viene mantenuto a una temperatura fredda, quindi viene spinto attraverso il compressore per aumentare la pressione e la temperatura.

A questo punto, si sposta intorno a l'esterno della stanza (o sul retro del frigorifero), dove l'energia termica viene trasferita nell'aria esterna più fredda (o nella stanza 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 del motore, l'espressione per l'efficienza di una pompa di calore o anche il frigorifero è diverso. Questo è abbastanza prevedibile nella forma, però. Per il riscaldamento:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

E per il raffreddamento:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Dove I termini Q
si riferiscono all'energia termica spostata nella stanza (con la sigla H) e spostata da essa (con la pedice C) e W
_{in è l'input di lavoro nel sistema sotto forma di elettricità. Ancora una volta, questo valore è un numero senza dimensioni compreso tra 0 e 1, ma puoi moltiplicare il risultato per 100 per ottenere una percentuale se preferisci.
Esempio del mondo reale - Centrali elettriche o centrali elettriche}

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

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