Màquina tèrmica

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Una màquina tèrmica és un dispositiu o sistema que treballa establint intercanvis de calor i de treball amb el seu entorn tot transformant una susbstància mitjançant un procés cíclic o una seqüència d'operacions. Al final de cada cicle la substància retorna al seu estat original i comença un nou cicle. Pot funcionar com a motor, si converteix la calor en treball, o com a refrigerador o bomba de calor si converteix el treball en calor.

Les màquines tèrmiques transformen l’energia mecànica en energia tèrmica, i viceversa. Si converteix la calor en treball funciona com a motor. En canvi, si converteix el treball en calor, actua com a bomba de calor.

Història[modifica | modifica el codi]

A finals del segle XVIII, als inicis de la Revolució Industrial, va aparèixer la primera màquina tèrmica: la màquina de vapor. Durant el segle XIX es van desenvolupar els motor d'explosió i el motor Stirling entre altres màquines tèrmiques.

Exemples habituals[modifica | modifica el codi]

Els exemples més habituals de màquines tèrmiques que trobem són els motors tèrmics dièsel i de gasolina que trobem en els automòbils. Molts sistemes de climatització utilitzen bombes de calor que també són màquines tèrmiques.

Classificació[modifica | modifica el codi]

Les màquines tèrmiques es classifiquen en:

  • Combustió externa: l’energia és produïda per la combustió que es genera a l’exterior de la màquina. El treball motriu s’obté a través d’uns dispositius.
  • Combustió interna: la reacció del combustible es produeix a l’interior de la màquina, i els gasos resultants generen el treball motriu.

Les màquines de combustió interna i externa poden ser:

  • Alternatives: incorporen un pistó que té moviment rectilini i una biela-manovella, que transforma el moviment en rotació.
  • Rotatives: provoquen un moviment de rotació.

Segons la manera d'inflamar la mescla carburant les màquines tèrmiques es poden classificar en:

  • Motors d’explosió (o de cicle OTTO): utilitza l'explosió d'un combustible, provocada mitjançant una espurna, per expandir un gas i empènyer així un pistó.
  • Motors dièsel.

Segons el nombre de cilindres, es classifiquen en:

  • Monocilindres
  • De dos cilindres
  • De quatre cilindres
  • De sis cilindres
  • ...

I segons la seva forma:

  • Cilindres en línia
  • Cilindres horitzontals
  • Cilindres en estrella
  • Cilindres amb forma de V

Eficiència[modifica | modifica el codi]

L'eficiència d'una màquina tèrmina és la relació entre el treball mecànic útil obtingut i l'energia tèrmica que s'ha utilitzat.

Seguint les lleis de la termodinàmica:

 dW \ = \ dQ_c \ - \ (-dQ_h)
on
 dW = -PdV és el treball obtingut de la màquina (el signe és negatiu ja que el treball és produït per el motor i no subministrat des de l'exterior).
 dQ_h = T_hdS_h és l'energia obtinguda del sistema d'alta temperatura (també amb signe negatiu ja que s'extreu de la font de calor, llavors (-dQ_h) és positiva).
 dQ_c = T_cdS_c és l'energia tèrmica transmesa al sistema de baixa temperatura.

Simplificant-ho la màquina tèrmia absorbeix l'energia tèrmica de la font de calor. Converteix part d'aquesta energia en treball útil i perd la resta en forma de calor dissipada (es transmet al sistema de baixa temperatura).

Generalment l'eficiència d'un procés de transferència de temperatura determinada es defineix com la proporció entre les aportacions i els resultats. En el cas d'una màquina tèrmica volem obtenir treball a canvi de transferència de calor:

\eta = \frac{-dW}{-dQ_h} = \frac{-dQ_h - dQ_c}{-dQ_h} = 1 - \frac{dQ_c}{-dQ_h}

L'eficiència teòrica màxima de qualsevol màquina o motor tèrmic depèn només de la diferència de temperatures en les quals opera. Aquesta eficiència es deriva habitualment en el model ideal del cicle de Carnot tot i que també seria possible obtenir eficiència màximes utilitzant altres cicles tèrmics.

Matemàticament això es demostra perquè en processos termodinàmicament reversibles el canvi d'entropia al sistema de baixa temperatura és l'invers al del sistema d'alta temperatura (dS_c = -dS_h) això fa que el canvi global d'entropia sigui nul, per tant:

\eta_\text{max} = 1 - \frac{T_cdS_c}{-T_hdS_h} = 1 - \frac{T_c}{T_h}

on T_h és la temperatura absoluta de la font de calor i T_c la del sistema de baixa temperatura. Aquestes mesures habitualment en kelvins.

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Màquina tèrmica Modifica l'enllaç a Wikidata