Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
Tema 2 Màquina Tèrmica - Coggle Diagram
Tema 2 Màquina Tèrmica
1. Màquines tèrmiques i segon principi de la termodinàmica
A la unitat anterior hem parlat del primer principi de la termodinàmica o principi de conservació de l'energia; per tant, d'acord amb aquest principi, en qualsevol procés l'energia es conserva.
Segon principi de la termodinàmica
La calor flueix sempre des d'un cos calent fins a un altre de fred espontàniament, però no a l'inrevés; per fer-ho cal efectuar un treball per mitjà de determinats dispositius.
El treball es pot convertir directament i íntegrament en calor, però per convertir la calor en treball calen dispositius, que, a més, no ho faran mai íntegrament.
Aquests dispositius capaços d'extreure la calor d'un cos fred i cedir-lo a un de calent o de convertir la calor en una certa quantitat de treball són precisament les màquines tèrmiques.
1.2. La màquina de Carnot
Cap màquina tèrmica que funcioni entre dues fonts tèrmiques determinades no pot tenir una eficiència superior a la d'una màquina tèrmica reversible que funcioni entre les mateixes fonts.
Llavors, una
màquina tèrmica reversible
és aquella que funciona cíclicament de manera que, quan evoluciona d'un estat a un altre, pot efectuar el camí invers sense pèrdues d'energia.
En la taula següent pots observar una classificació dels diferents tipus de màquines tèrmiques més usuals.
1.1. Eficiència tèrmica
D'acord amb el segon principi de la termodinàmica, la calor no es pot transformar íntegrament en treball. Llavors, si anomenem W el treball net de sortida, tenim que:
1.3. L'entropia
Un concepte molt important en l'estudi de les màquines tèrmiques és l'entropia. Vegem què vol dir a partir del que hem estudiat fins ara.
Diagrames TS
En les expansions o compressions isotèrmiques en resulta una línia horitzontal, mentre que en les adiabàtiques o isentròpiques en resulta una de vertical. L'àrea ombrejada en el diagrama TS representa el treball efectuat o la calor bescanviada en el cicle:
W = Th ΔS1−2 − Tc ΔS3−4 = |Qh| − |Qc|
2. Màquines tèrmiques generadores d'energia mecànica
Reben calor d'una font d'alta temperatura (energia solar, petroli, carbó, etc.).
Transformen en treball una certa quantitat de la calor que reben (normalment en forma d'un eix en rotació).
Alliberen una certa quantitat de calor a una font de baixa temperatura (a l'aire, a un riu, a la mar, etc.).
Operen dins d'un cicle.
2.1. Màquines de combustió externa
Pertanyen a aquest grup la majoria de màquines de vapor. Com ja hem explicat en el primer apartat d'aquesta unitat, en una font d'alta temperatura a l'exterior de la màquina es genera calor
A. Instal·lacions de vapor
Això és així per augmentar la superfície de contacte entre l'aigua que cal vaporitzar i la calor. El vapor format al dipòsit superior de la caldera passa llavors per un serpentí o reescalfador, on augmenta de temperatura i pressió abans de ser lliurat a la turbina, on s'expansiona i produeix el treball.
B. Turbines de vapor
A les turbines, el vapor procedent de la caldera arriba a una roda fixa que conté una sèrie de toveres equidistants del centre i repartides uniformement. Aquestes turbines s'anomenen turbines d'acció.
C. Cicles termodinàmics
En aquests tipus de màquines és on millor es pot fer una aproximació a la màquina ideal de Carnot. Vegem-ne el funcionament des del punt de vista termodinàmic, basant-nos en la figura 2.19 i en els diagrames pV i TS
2.2. Màquines tèrmiques de combustió interna alternativa
Els combustibles utilitzats han de ser gasos o líquids vaporitzats, per poder ser introduïts a l'interior de la màquina amb facilitat. S'anomenen també alternatives perquè utilitzen un sistema biela-maneta per convertir el moviment alternatiu de vaivé de l'èmbol en rotatiu.
A. Màquines tèrmiques alternatives d'encesa per guspira
Temps d'admissió. Comença quan el pistó ha baixat una mica respecte del PMS (punt mort superior).
Temps de compressió. Un cop tancada la vàlvula d'admissió, amb el moviment ascendent del pistó comença la compressió fins a una mica abans que el pistó arribi al PMS.
Temps d'explosió. Una mica abans d'arribar al PMS, s'injecta la gasolina dins el conducte d'admissió o directament a la cambra de combustió
Temps d'escapament. Una mica abans que el pistó hagi arribat al PMI, s'obren les vàlvules d'escapament i comencen a sortir els gasos de la combustió.
Motors de dos temps (2T)
D'aquesta manera, un motor de dos temps teòricament hauria de tenir una potència doble que la d'un motor de quatre temps de les mateixes característiques, ja que a cada volta del cigonyal es produeix un cicle de treball productiu, «.
C. Motors d'encesa per compressió o dièsel
Els motors dièsel deuen el seu nom a l'enginyer alemany Rudolf Diesel. La seva característica principal és que l'explosió no es produeix per mitjà d'una guspira –com passa en els motors Otto–, sinó que es produeix espontàniament a causa de les condicions de temperatura i pressió a què se sotmet el combustible
D. Característiques dels motors
Nombre de cilindres i cilindrada
Vc = π r2 c [cm3]
Vt = Vc nc [cm3]
Relació de compressió
La potència i el parell motor
Els combustibles
2.3. Màquines de combustió interna rotatives
Les màquines de combustió interna rotatives més comunes són les turbines de reacció, els turboreactors i les turbines de gas.
A. Motor Wankel
El motor Wankel va ser dissenyat per l'enginyer alemany Felix Wankel i es va engegar per primera vegada el 1963 després d'anys d'investigació. El motor duu a terme els mateixos cicles que un motor Otto, però l'un darrere l'altre en una sola rotació de l'eix motriu.
B. Turbines de gas de cicle obert
Les turbines de gas de cicle obert són emprades bàsicament en la propulsió d'aeronaus i per produir energia elèctrica. El seu funcionament es basa en l'energia cinètica d'uns gasos que passen a gran velocitat pels àleps d'una turbina i l'obliguen a girar. Per això, mitjançant un conducte s'aspira aire i es comprimeix dins d'una cambra on s'injecta el gas
3. Màquines tèrmiques consumidores d'energia mecànica
3.1. La màquina frigorífica o refrigerador
La màquina frigorífica o refrigerador més emprada és el compressor. Funciona amb un circuit tancat, en el qual un gas se sotmet a un procés de compressió que el fa condensar i a un altre de vaporització. Aquest gas pertany a un grup de fluids anomenats fluids criogènics,
Coeficient de rendiment d'un refrigerador: s'obté de manera inversa que l'eficiència d'una màquina tèrmica generadora d'energia mecànica. Així, tenim que:
3.2 La bomba de calor
La bomba de calor és essencialment un refrigerador on s'aprofita la calor cedida al condensador per escalfar un recinte, i que actua com un sistema de calefacció. Tanmateix, també pot actuar a l'inrevés, com a refrigerador.
