Motoare termice

Motoare în teorie

Foto: Conducătorul motorului: Genialul Nicolas Sadi Carnot, în vârstă de 17 ani.

Pionierii motoarelor au fost ingineri, nu oameni de știință.Newcomen și Watt au fost mai degrabă niște „executanți” practici și practici, decât niște gânditori teoreticieni care se frământau la cap.Abia când a apărut francezul Nicolas Sadi Carnot (1796-1832), în 1824 – la mai bine de un secol după ce Newcomen a construit primul său motor cu aburi – s-a încercat să se înțeleagă teoriafuncționării motoarelor și a modului în care acestea puteau fi îmbunătățite dintr-o perspectivă cu adevărat științifică.Carnot era interesat să afle cum pot fi eficientizate motoarele (cu alte cuvinte, cum se poate obține mai multă energie din aceeași cantitate de combustibil).În loc să se joace cu un motor cu aburi real și să încerce să îl îmbunătățească prin încercări și erori (tipul de abordare pe care Watt o adoptase cu motorul lui Newcomen), el a construit el însuși un motor teoretic – pe hârtie – și s-a jucat în schimb cu matematica.

Foto: Motoarele cu aburi sunt ineficiente în mod inerent. Lucrarea lui Carnot ne spune că, pentru o eficiență maximă, aburul dintr-un motor ca acesta trebuie să fie supraîncălzit (astfel încât să fie peste punctul său obișnuit de fierbere de 100°C) și apoi lăsat să se dilate și să se răcească cât mai mult posibil în cilindri, astfel încât să cedeze cât mai multă energie pistoanelor.

Ciclul Carnot

Motorul termic Carnot este un model matematic destul de simplu despre cum ar putea funcționa în teorie cel mai bun motor cu piston și cilindru posibil,prin repetarea la nesfârșit a patru etape numite acum ciclul Carnot.Nu vom intra aici în teoria detaliată sau în matematică (dacă vă interesează, vedeți pagina ciclului Carnot a NASA și excelenta pagină Heat Engines: the Carnot Cycle a lui Michael Fowler, care are o superbă animație flash).

Un motor Carnot de bază constă dintr-un gaz prins într-un cilindru cu un piston. Gazul preia energie de la o sursă de căldură,se dilată, se răcește și împinge un piston în afară. Pe măsură ce pistonul se întoarce în cilindru, comprimă și încălzește gazul, astfel încât gazul încheie ciclul la exact aceeași presiune, volum și temperatură cu care a pornit. Un motor Carnot nu pierde energie din cauza frecării sau a împrejurimilor sale. Este complet reversibil – un model perfect și perfect teoretic al modului în care funcționează motoarele. Dar ne spune multe și despre motoarele reale.

Cât de eficient este un motor?

Ceea ce merită reținut este concluzia la care a ajuns Carnot: eficiența unui motor(real sau teoretic) depinde de temperaturile maximă și minimă între care funcționează.În termeni matematici, randamentul unui motor Carnot care funcționează între Tmax (temperatura sa maximă) și Tmin (temperatura sa minimă) este:

(Tmax-Tmin) / Tmax

unde ambele temperaturi sunt măsurate în kelvin (K).Creșterea temperaturii fluidului din interiorul cilindrului la începutul ciclului îl face mai eficient; scăderea temperaturii la extrema opusă a ciclului îl face, de asemenea, mai eficient. Cu alte cuvinte, un motor termic cu adevărat eficient funcționează între cele mai mari diferențe de temperatură posibile.Cu alte cuvinte, dorim ca Tmax să fie cât mai mare posibil, iar Tmin cât mai mică.De aceea, lucruri precum turbinele cu abur din centralele electrice trebuie să utilizeze turnuri de răcire pentru a răci aburul cât mai mult posibil: astfel pot obține cea mai mare cantitate de energie din abur și pot produce cea mai mare cantitate de electricitate. În lumea reală, vehiculele în mișcare, cum ar fi mașinile și avioanele, evident, nu pot avea turnuri de răcire și este dificil să se obțină temperaturi Tmin scăzute, astfel încât, de obicei, ne concentrăm asupra creșterii Tmax.Motoarele reale – în mașini, camioane, avioane cu reacție și rachete spațiale – funcționează la temperaturi foarte ridicate (astfel încât acestea trebuie să fie construite din materiale cu temperaturi ridicate, cum ar fi aliaje și ceramică).

Care este randamentul maxim al unui motor?

Există o limită a eficienței unui motor termic? Da! Tmin nu poate fi niciodată mai mică decât zero (la zero absolut), așa că, în conformitate cu ecuația noastră de mai sus, niciun motor nu poate fi mai eficient decât Tmax/Tmax = 1, ceea ce echivalează cu o eficiență de 100% – iar cele mai multe motoare reale nu se apropie nici pe departe de această valoare. Dacă ați avea un motor cu aburi care să funcționeze între 50°C și 100°C,acesta ar avea o eficiență de aproximativ 13%. Pentru a ajunge la o eficiență de 100%, ar trebui să răciți aburul la zero absolut (-273°C sau 0K), ceea ce este evident imposibil. Chiar dacă ați putea să-l răciți până la îngheț (0°C sau 273K), tot ați reuși să obțineți o eficiență de numai 27 la sută.

Carte: Motoarele termice sunt mai eficiente atunci când funcționează între diferențe de temperatură mai mari. Presupunând o temperatură minimă constantă de gheață (0°C sau 273K), eficiența urcă încet pe măsură ce creștem temperatura maximă. Dar observați că obținem randamente descrescătoare: pentru fiecare creștere a temperaturii cu 50°C, eficiența crește de fiecare dată mai puțin. Cu alte cuvinte, nu putem ajunge niciodată la o eficiență de 100% doar prin creșterea temperaturii maxime.

Acest lucru ne ajută, de asemenea, să înțelegem de ce motoarele cu aburi ulterioare (inițiate de ingineri precum Richard Trevithickși Oliver Evans) au folosit presiuni de abur mult mai mari decât cele produse de oameni precum Thomas Newcomen.Motoarele cu presiune mai mare erau mai mici, mai ușoare și mai ușor de montat pe vehicule în mișcare, dar erau, de asemenea, mult mai eficiente:la presiuni mai mari, apa fierbe la temperaturi mai ridicate, iar acest lucru ne oferă o eficiență mai mare.La o presiune de două ori mai mare decât presiunea atmosferică, apa fierbe la aproximativ 120°C (393K), oferind o eficiență de 30%cu o temperatură minimă de 0°C; la o presiune de patru ori mai mare decât presiunea atmosferică, temperatura de fierbere este de 143°C (417K), iar eficiența se apropie de 35%. Aceasta este o mare îmbunătățire, dar este încă departe de 100%. Turbinele cu aburi din centralele electrice folosesc presiuni foarte mari (de peste 200 de ori presiunea atmosferică este tipică). La 200 de atmosfere, apa fierbe la aproximativ 365°C (~640K), ceea ce dă un randament maxim, teoretic, de aproximativ 56% dacă putem răci apa până la îngheț (și dacă nu există alte pierderi de căldură sau ineficiențe).Chiar și în aceste condiții extreme și ideale, suntem încă foarte departe de un randament de 100%; turbinele reale ating mai degrabă 35-45%.Fabricarea unor motoare termice eficiente este mult mai dificilă decât pare!