TEMA 3

 

MÀQUINES TÈRMIQUES

1.- Energia i màquines tèrmiques

Formen part del nostre paisatge urbà: 

• Capacitat de generar treball assegurada per un motor: converteix l’energia de la gasolina o del gasoil en energia motriu.

1.1.- Transformació de l’energia tèrmica en energia mecànica

• Els motors tèrmics transformen l’energia d’un combustible en energia de moviment, en energia mecànica. 
• L’energia tèrmica subministrada a un motor tèrmic no es transforma totalment en energia mecànica. Una part es dissipa en forma de calor. Si no s’aprofita es considera energia perduda.
• Motor tèrmic: Màquina motriu que transforma energia tèrmica en mecànica.
• Màquines de combustió externa: combustible cremat a fora de la màquina. 
• Màquines de combustió interna: combustible en crema a l’interior del motor. 
• Motors rotatius: conversió d’energia en mecanismes rotatius. 
• Motors alternatius: primera transferència d’energia a l’èmbol, i el sistema de biela-manovella fa que tingui un desplaçament giratori.

1.2.- Energia, treball i potència

• Treball: Aplicació de força per canviar-ne el moviment. 
• L’energia: Capacitat de realitzar un treball. 
• Potència: Treball efectuat per unitat de temps/ Rapidesa en realitzar un treball.

1.3.- Rendiment energètic

• Rendiment: forma d’expressar l’eficiència d’una transformació energètica, es multiplica per 100 i s’obté el %. 
• Totes les transformacions energètiques tenen rendiments inferiors a 100%.

SABIES QUE...?

• Denis Papin va inventar una de les primeres màquines de vapor (1690), que James Watt va perfeccionar, aconseguint rendiments molt més elevats (1765). Sadi Carnot va enunciar les lleis de la termodinàmica (1824), que van permetre la seva evolució definitiva.
• El quilowatt hora (kWh) equival a 3,6⋅106 J (o 3,6 MJ). El cavall de vapor (CV) és una unitat de mesura de la potència que no forma part del sistema internacional d’unitats. Actualment encara es fa servir, però tendeix a desaparèixer. 1 CV equival a 735,5 W.

2.- Màquines tèrmiques de combustió externa

El combustible genera calor per evaporar aigua en calderes. El vapor és injectat a un sistema mecànic que el transforma en energia mecànica.

2.1.- La turbina de vapor rotativa

• Obtenció d’energia elèctrica en centrals tèrmiques i en centrals nuclears. També és utilitzada en grans vaixells per moure les hèlixs. 
• El vapor es mou en un circuit tancat, i una vegada ha passat per la turbina, el condensador en redueix la temperatura i una bomba en força el pas de nou cap a la caldera. 
• Turbines d’acció i reacció les més utilitzades.

3.- Màquines de combustió interna alternatives

Actualment, n’hi ha de dos tipus: els motors d’encesa per guspira o de cicle Otto, i els d’encesa per compressió o de cicle dièsel. A més, hi ha diferents solucions estructurals que es diferencien pel nombre de cicles: dos temps (2T) i quatre temps (4T).

3.1.- Motors d’encesa per combustió interna

• Transferència d’energia tèrmica: cambra de combustió, (part superior del cilindre). 
• L’èmbol és empenyat en sentit descendent fins al PMI. El desplaçament es transmet a la biela, que, al seu torn, fa girar la maneta o manovella, que és al cigonyal. 
• Quan l’èmbol ascendeix fins a arribar al PMS, empeny els gasos i surten del cilindre a través de la vàlvula d’escapament. 
• Les vàlvules s’obren i es tanquen sincronitzadament per un arbre de lleves que es mou a través d’un sistema de transmissió com una cadena o una corretja. 
• A la part inferior hi ha un receptacle d’oli. Aquest, serveix per lubrificar les parts del motor que són en moviment. Tots els elements es troben tancats en el bloc motor i la culata, que el cobreix en la part superior.

3.1.1.- Motors d’encesa per guspira o de cicle Otto

• S’alimenten de gasolina/benzina per carburador o injector. 
• La inflamació de la benzina es produeix a la bugia. 
• Primer temps: ADMISSIÓ, Segon temps: COMPRESSIÓ, Tercer temps: EXPLOSIÓ, Quart temps: ESCAPAMENT.

3.1.2.- Motors d’encesa per compressió o de cicle Dièsel

• L’injector s’alimenta per una bomba.

3.2.- Característiques dels motors

3.2.1.- Cilindrada

• Volum d’un cilindre (Vc)= π⋅r2⋅c 
• Volum màxim (Vmàx)= Vc+Vmín. 
• Cilindrada (Vt)= Vmàx+nc

3.2.1.- Relació de compressió

• Relació de compressió (rc) = Vmàx / Vmín.

3.2.1.- Potència

• Depèn de la freqüència de rotació del cigonyal.

4.- Els sistemes auxiliars

• Sistema d’alimentació
• Sistema d’encesa electrònica
• Sistema de refrigeració
• Sistema de lubrificació
• Sistema d’escapament
• Sistema de transmissió

          

SABIES QUE...?

• Els cotxes solen portar motors de quatre cilindres.

5.- Màquines tèrmiques de combustió interna rotatives

5.1.- La turbina de gas de cicle obert

• Emprades en la producció d’electricitat en centrals elèctriques
• Alimentades per gas

5.2.- El turboreactor

• Adaptació de la turbina de gas de cicle obert
• Camp de l’aeronàutica

SABIES QUE...?

• Actualment els avions porten uns reactors anomenats turbofan.
• Aquests han millorat les prestacions dels antics reactors, ja que incorporen un ventilador que injecta aire a pressió des de la part frontal cap a l’interior del motor.

6.- Els combustibles

6.1.- Combustibles fòssils. Origen, transformació i distribució

• Origen fòssil
• Petroli
• Carbó
• Gas natural

6.2.- Derivats del petroli

• Gasolina
• Gasoil
• Querosè

6.3.- Conseqüències de l'ús de combustibles fòssils

• CO2 (diòxid de carboni)
• NO2 (òxid de nitrogen)
• SO2 (òxid de sofre)
• Efecte hivernacle, canvi climàtic... en creixement

SABIES QUE...?

• Un motor preparat per consumir gasolina de 95 octans pot usar la de 98 octans, que té un poder antidetonant superior, però no al revés. La capacitat calorífica és la mateixa en els dos tipus de gasolina.
• L’any 2002, el Prestige, un vaixell de transport de petroli, va causar un greu episodi de contaminació de fuel a les costes marines de Galícia i la costa nord de Portugal. Va afectar tot l’ecosistema marí, i aquest fet va tenir greus conseqüències per a l’economia de la zona.

7.- PROBLEMES