Els motors tèrmics són sistemes fonamentals a l'enginyeria moderna, dissenyats per convertir l'energia tèrmica en energia mecànica.
Aquesta conversió es basa en els principis de la termodinàmica i s'aconsegueix a través de la transferència de calor des d'una font calenta cap a un clavegueró fred. La seva aplicació és extensa, des de vehicles fins a centrals elèctriques.
Què és un motor tèrmic?
Un motor tèrmic és un tipus de màquina que utilitza l'energia tèrmica generada per la combustió de combustibles com a gasolina, dièsel, o fins i tot recursos naturals com la calor solar, per produir treball mecànic.
Aquest procés implica l'expansió d'un fluid, com ara un gas o un líquid, que genera moviment.
Com funciona un motor tèrmic?
Hi ha molts tipus de motors tèrmics i cadascun té un funcionament particular. Tot i això, tots ells comparteixen algunes característiques comunes:
- Absorció de calor : El motor rep energia tèrmica d'una font d'alta temperatura. Aquesta font pot provenir de la combustió d'un combustible (com a motors de combustió interna), de l'escalfament de vapor (com a motors de vapor) o fins i tot de processos naturals (com a motors Stirling).
- Transformació en treball : En absorbir calor, el fluid de treball (com aire, gas, vapor o una barreja d'ells) augmenta la seva energia interna. girar una turbina o moure un eix.
- Rebuig de calor : Després de realitzar el treball, el fluid perd part de la seva energia tèrmica cap a un clavegueró de baixa temperatura. Això permet que el motor torni al seu estat inicial i el cicle es pugui repetir.
Els motors tèrmics funcionen mitjançant cicles repetitius, que poden ser tancats (com el cicle de Carnot o Stirling) o oberts (com els cicles Otto i Diesel).
En tots els casos, la clau està en la diferència de temperatura entre la font calenta i l'embornal fred, ja que aquesta diferència és la que impulsa el procés.
Tipus de motors tèrmics
Un motor tèrmic es pot classificar de moltes maneres diferents. En una daquestes classificacions es pot distingir entre:
- Motors de combustió interna La combustió es produeix en una cambra interna del propi motor, on es generen els gasos que produeixen l'expansió que causa la feina. Per exemple, els motors dels automòbils.
- Motors de combustió externa Són aquells en què la combustió té lloc fora del motor. La calor despresa és transmesa a un fluid intermedi. Aquest flux intermedi produeix lenergia mecànica. Per exemple, la màquina de vapor, on el fluid intermedi és el vapor daigua i el lloc de la combustió és la caldera, que està fora del motor. Un altre exemple serien els motors tèrmics de les centrals nuclears que utilitzen energia nuclear per convertir-la en energia mecànica.
Exemples quotidians
Alguns exemples de motors tèrmics són els següents:
- Motor dièsel : Utilitzat en camions, autobusos, vaixells i alguns automòbils, funciona mitjançant la combustió del dièsel per generar treball mecànic.
- Turbines a gas : Comunament usades en avions i plantes de generació elèctrica, funcionen cremant gas natural o combustibles líquids.
- Motor Stirling : Un motor tèrmic de pistó que funciona mitjançant l'expansió i compressió d'un gas, utilitzat en aplicacions com a generadors d'energia petits i algunes instal·lacions solars.
- Motor de vapor : Utilitzat històricament en locomotores i vaixells, es basa en l'expansió de vapor d'aigua per moure pistons o turbines.
- Cicle Rankine : Usat en plantes termoelèctriques, on el vapor s'expandeix en una turbina per generar electricitat.
Diferències entre un motor i una màquina tèrmica
Sovint el concepte de motor tèrmic es confon amb el de màquina tèrmica. Aquests termes estan relacionats, però no són exactament el mateix.
Una màquina tèrmica és un dispositiu o sistema que treballa establint intercanvis de calor i treball amb el seu entorn.
Per aconseguir-ho, la màquina transforma una substància mitjançant un procés cíclic o una seqüència doperacions. Al final de cada cicle la substància torna al seu estat original i comença un cicle nou.
Una màquina tèrmica pot funcionar com a motor, si converteix la calor en feina, o com a nevera o bomba de calor si converteix la feina en calor.