Motoare termice

Referat Fizica

Profesor: Ionel Tunaru

Clasa: a X-a H

Motoare Termice

Motoarele termice sunt dispozitive care transforma caldura primita in lucru mecanic (motoare termice) ,fie lucrul mecanic in caldura (masini frigorifice).Un motor termic lucrează pe baza unui ciclu termodinamic realizat cu ajutorul unui fluid.Întrucât, conform principiul al doilea al termodinamicii, entropia unui sistem nu poate decât să crească, doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură (numită și sursa caldă) este transformată în lucru mecanic. Restul de căldură este transferat unui sistem cu temperatura mai mică, numit sursă rece.

Tipuri de motoare termice

Motor cu ardere externa , la care sursa de căldură este externă fluidului ce suferă ciclul termodinamic:

motorul cu aburi

turbina cu abur

motor Stirling

motor cu ardere interna, la care sursa de căldură este un proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic:

motorul Otto

motorul Diesel

motorul Carnot

motor racheta

statoreactor

pulsoreactor

Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de abur prin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori

este transformată în mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obține din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.

Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de transport din timpul Revoluției industriale până în prima parte a secolului al XX-lea, fiind utilizate la acționarea locomotivelor , vapoarelor,pompelor, generatoarelor electrice, mașinilor din fabrici, utilajelor pentru construcții (excavatoare) și a altor utilaje. A fost înlocuit în majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere internă și de cel electric. Turbina cu abur

Elementele componente ale motorului

Astfel putem spune că motorul cu ardere internă, cu piston, este un motor termic care, prin evoluția amestecului combustibil, transformă energia termică în lucru mecanic. Evoluția amestecului combustibil în motor este realizată cu ajutorul pistonului, care, prin intermediul mecanismului bielă-manivelă, transformă mișcarea alternativă de translație în mișcare de rotație.

1. bujie (în cazul unui motor diesel locul bujiei este luat de

injector)

2. arbore cu came

3. supapa de admisie 10.bolt

4. galerie de admisie 11. segmenti

5. chiulasă 12.galerie de evacuare

6. blocul motor 13.supapa de evacuare

7. arbore cotit 14.arbore cu came

8. bielă

9. piston

Motorul Otto

Nikolaus August Otto (n. 14 iunie 1832, Holzhausen an der Haide, Nassau; d. 26 ianuarie 1891,Köln) este un inventator german, născut în Nassau. Locuiește în Franța unde este interesat de mașinile cu gaz a inginerului francez Etienne Lenoir.Nikolaus August Otto a fost inventatorul german al primului motor cu combustie internă care ardea în mod eficient combustibilul direct într-un piston de cameră. Deși alte motoarele cu combustie internă fuseseră inventate (de exemplu, de către Etienne Lenoir), acestea nu s-au bazat pe patru timpi separați. Conceptul de patru timpi este posibil să fi fost deja discutat la data invenției lui Otto, dar el a fost primul care l-a pus în practică.

Ciclul Otto

Motorul Otto a fost conceput ca un motor de staționare și în acțiunea motorului, timpul este mișcare în sus sau jos a unui piston într-un cilindru. Utilizat mai târziu, într-o formă adaptată,

ca un motor de automobil, sunt implicați patru timpi sus-jos:

1.Admisie descendentă - cărbune, gaz și aer intră în camera pistonului

2.Compresie adiabatică în sens ascendent - pistonul comprimă amestecul

3.Ardere și destindere adiabatică descendentă - arde amestecul de combustibile cu scânteie electrică

4.Evacuarea ascendentă – degajă gaze de eșapament din camera pistonului. Otto l-a vândut doar ca pe un motor staționar.

Motorul Diesel

Motorul diesel este un motor cu ardere internă în care combustibilul se aprinde datorită temperaturii ridicate create de comprimarea aerului necesar arderii, și nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, așa cum ar fi bujia în cazul motorului cu aprindere prin scânteie.

Motorul lucrează pe baza ciclului Diesel.

Numele motorului a fost dat după inginerul german Rudolf Diesel la sugestia soției sale, Martha Diesel, care în 1895 îl sfătuiește cu: Nenn ihn doch einfach Dieselmotor! („numește-l pur și simplu motor Diesel!”),[1] ușurînd astfel lui Diesel căutarea după denumirea motorului, pe care l-a inventat în 1892 și l-a patentat pe 23 februarie 1893. Intenția lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o gamă largă de combustibili, inclusiv praful de cărbune. Diesel și-a prezentat invenția funcționând în 1900 la Expoziția Universală (World's Fair) având drept combustibil ulei de alune.

Functionare motorului Diesel

Comprimarea unui gaz conduce la creșterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele diesel. Aerul este aspirat în cilindri și este

comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin comprimare până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creșterea temperaturii și presiunii, care acționează pistonul. În continuare, ca la motoarele obișnuite, biela transmite forța pistonului către arborele cotit, transformând mișcarea liniară în mișcare de rotație. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri crește densitatea aerului și conduce la un randament mai bun.

În timpul iernii, când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor {format din cilindri și chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura și împiedicând aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistențe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite și rezistențe electrice montate în blocul motor, tot

pentru a ușura pornirea și a micșora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului și a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecție al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat și această problemă.

In principiu, un motor termic este un sistem termodinamic care evolueaza ciclic,transformând caldura in lucru mecanic, in baza principiului al II-lea al termodinamicii. Exista multe tipuri de motoare termice: motoare ce functioneaza cu benzina la automobile si autobuze, cu motorina la camioane, cu abur la locomotivele vechi etc.Toate au acelasi principiu general de functionare. Caldura absorbita de sistem provine din arderea unui combustibil. O parte din aceasta energie este transformata in lucru mecanic utilizabil pentru deplasarea vehiculului sau in alte operatii. Motoarele termice realizeaza un dublu transfer de energie termica.Primeste caldura de la o sursa de caldura aflata la o temperatura inalta (de exemplu combustibilul care arde)

numita sursa calda, cu care se afla in contact termic. O parte din caldura absorbita (Qabs >0) de la sursa calda este convertita in lucru mecanic util (L > 0), iar o alta parte este cedata in mod necesar (Qced < 0) unui alt corp(sistem) din mediu, aflat la o temperatura mai coborâta,numit sursa rece. Aceasta se afla de asemenea in contact termic cu motorul si poate fi, de exemplu, sistemul sau de racire, care preia o parte din energia termica pentru ca motorul sa poata „lucra“.

Legile de baza ale functionalitatii masinilor termice

Masinile termice au la baza lor de functionare principiile I si II ale termodinamicii.

Principiul I stabileste legatura dintre cantitatea de caldura produsa si energia mecanica absorbita sau invers. Intre o cantitate de caldura Q si lucru mecanic L din care a provenit vom avea relatia de echivalenta:

L = f * Q

unde f este numit echivalentul mecanic al caloriei.

Principiul I al termodinamicii se enunta astfel: Intr-un sistem perfect izolat, suma energiilor de orice fel pe care le contine ramane constanta.

Bazandu-ne pe aceasta afirmatie pentru a deduce ca daca dam un corp o cantiate de calduraDQ peste cea pe care o avea initial, aceasta energie suplimentara poate sa aibe urmatoarele manifestari:

1. sa oblige corpul sa execute un lucru mecanic L exterior

2. sa ridice temperatura corpului

3. sa modifice structura interna a corpului

In concluzie, din caldura DQ data corpului o parte se va transforma in DL care se manifesta ca lucru mecanic exterior, o parte DU se absoarbe si produce o variatie a energiei interne. Expunerea matematica este urmatoarea:

DQ = DU + DL

Principiul I stabileste numai cantitativ cat lucru mecanic se poate obtine dintr-o cantitate de caldura.

Principiul al II-lea este si calitativ, deoarece se ocupa de calitatea energiilor, adica de posibilitatea unei transformari a lor in lucru mecanic util si arata ca aceasta transformare nu este integral posibila pentru caldura.

Acest principiu a fost descoperit de Carnot in 1824 si se enunta astfel:

Toate masinile termice care functioneaza intre aceleasi limite de temperatura au acelasirandament maxim, adica acelasi coeficient economic ideal.

Coeficientul economic ideal se mai numeste si randament si are urmatoarea expresie matematica:

h = 1 - T2/T1 sau h = DT / T1

unde: T1 este sursa calda, T2 este sursa rece iar DT este diferenta intre cele doua.

Randamentul unei masini termice este cu atat mai mare cu cat diferenta de temperatura dintre sursa calda si sursa rece este mai mare.

De aceea masinila cu abur moderne folosesc supraincalzirea aburului de la intrare si condensarea lui la iesire.

Principiul al II-lea al termodinamicii ne arata ca pentru ca o masina termica sa poata functiona este absolut nevoie de doua surse de caldura.

Prin urmare, in orice masina termica avem un rezervor de caldura, la temperatura mai inalta, care o cedeaza unui organ de transformare. Acesta retine si transforma o parte din ea si transmite restul spre exterior, la temperatura mai joasa. In aceasta masina, caldura trece in mod natural de la temperaturile mai ridicate la cele mai joase.

Masinile termice reale pot fi studiate pe baza ciclului Carnot.

Pentru o masina termica organul de transformare a caldurii in lucru mecanic este in speta cilindrul si

pistonul care primeste o cantitate de vapori sau de gaz, la o presiune, un volum si o temperatura date si o destinde la presiunea si temperatura din exterior.

Pentru o masina cu vapori si pistoane, asa-zise alternative, gasim experimental urmatoarea curba parcursa in timpul unei miscari de dus si intros a pistonului;

in aceasta diagrama distingem doua faze:

1. In prima faza este parcursa portiunea de curba intre A si B. In timpul acesteia, vaporii se destind, cedeaza din caldura lor interna, misca pistonul si executa un lucru mecanic, proportional cu aria suprafetei A-B-B'-A'.

2. In faza a doua, masina absoarbe lucru mecanic din energia cinetica pentru a comprima vaporii ramasi in cilindru sau sa lupte impotriva celor care vin din cazan.

Ciclul se inchide si lucrul mecanic absorbit este proportional cu dublul ariei suprafetei hasurate.

Rezultatul final duce la un lucru mecanic util, deoarece faza a doua necesita mai putina energie decat s-a degajat in prima.

Motorul cu ardere interna

Un amestec de aer si de vapori de benzina sau de alti combustibili lichizi explodeaza atunci cand vine in contact cu o flacara iar forta de expansiune a gazelor formate prin ardere poate deveni forta motoare (lucru mecanic). Pe acest principiu se bazeaza diverse tipuri de motoare cu explozie.

Motorul termic cu explozie

Intr-un cilindru patrunde un piston, a carui coada este de obicei articulata pentru a genera miscare circulara:

Supapa S comunica cu un rezervor de benzina numit

carburator, in care un curent de aer trece prin benzina si se incarca cu vapori. Supapa S' comunica cu exteriorul.

Cele doua supape sunt actionate de un dispozitiv care le misca potrivit la intervale de timp bine stabilite si care se numeste ax cu came.

Principiul de functionare este urmatorul:

Timpul I: Absorbtia. Presupunem pistonul in capatul de jos al cilindrului. Supapa S, numita supapa de admisie, este deschisa iar supapa S', numita supapa de evacuare, este inchisa. Cand pistonul se trage in cilindru, aspira amestecul exploziv de aer si benzina din carburator.

Timpul II: Compresia. Supapa de admisie se inchide si pistonul care intra in cilindru comprima continutul.

Timpul III: Aprinderea (ignitia). Pistonul a ajuns in capatul de sus al cilindrului. In acest moment, o scanteie electrica se produce in punctul B (bujie) si aprinde amestecul, facandu-l sa impinga pistonul in jos datorita cresterii bruste a volumului amestecului ce tocmai a explodat.

Timpul IV: Evacuarea. Pistonul a ajuns in capatul de jos al cilindrului. Supapa de evacuare S' se deschide iar pistonul, in virtutea impulsului capatat, se intoarce si evacueaza gazele de ardere prin S'.

In incheiere

Exista si alternative la motoarele termice (de exemplu motorul electric ce functioneaza pe baza de curent electric care este transformat in camp magnetic) si care prezinta si resurse practic inepuizabile, dar datorita costurilor carburantilor si posibilitatilor de a-i inmagazina, motoarele termice au ramas mult timp cele mai des intalnite.

Cele mai clare exemple de motoare termice sunt motorul cu ardere interna pentru ca este si cel care se foloseste la automobile si motorul cu aburi folosit la locomotive in zone neelectrificate.

In zona noastra exista chiar Termocentrala Mintia care produce curent electric bazandu-se pe principiul motoarelor termice. Vaporii de apa sunt incalziti pana la temperaturi ce depasesc 100°C si apoi sunt eliberati cu presiune pe paletele unei turbine generatoare, producand lucru mecanic prin rotirea acesteia.

Au colaborat:

- Cojocaru Alexandra

- Cojocaru Andreea

- Croitoru Catalina

- Mindu Andreea

- Tamas Anamaria

- Zamfirescu Andreea Luiza