Una màquina tèrmica és un dispositiu o sistema que treballa establint intercanvis de calor i de treball amb el seu entorn tot transformant una substància 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. Molts sistemes de climatització que utilitzen bombes de calor, també són màquines tèrmiques.
Els exemples més habituals de màquines tèrmiques que trobem són els motors tèrmics dièsel i de gasolina que es troben en els automòbils. El fluid motor sol ser el vapor d'aigua, l'aire o la mescla de gasos resultants de la combustió del petroli o de gasos combustibles. En els motors de combustió interna la combustió es realitza en el fluid motor, i en els motors de combustió externa existeixen dos fluids, on s'intercanvia calor entre tots dos. En les centrals nuclears la calor procedeix de l'energia alliberada en la fissió nuclear de l'urani o del plutoni, sent extret per una substància refrigerant que ho cedeix a un circuit secundari a través d'un canviador de calor.
Història A finals del , als inicis de la Revolució Industrial, va aparèixer la primera màquina tèrmica: la màquina de vapor. Durant el es van desenvolupar el motor d'explosió i el motor Stirling entre altres màquines tèrmiques.
Màquina de vapor La màquina de vapor és una màquina de combustió externa que aprofita la força expansiva del vapor d'aigua per a moure un èmbol i produir treball.
Història de la màquina de vapor
En 1691, l'enginyer militar anglès Thomas Savery va ser pioner a utilitzar la pressió del vapor d'aigua per a extreure aigua de mines i pous i moure una roda hidràulica. Normalment, la pressió del vapor d'aigua solia rebentar calderes i canonadas, i a més, era poc eficaç perquè es perdia la calor del vapor d'aigua cada vegada que es refredava el recipient.
En 1698 Thomas Savery va patentar el seu descobriment, i el ferrer anglès Thomas Newcomen va construir una màquina més perfecta, que treballava a baixes pressions. A més, comptava amb un pistó i un cilindre. Amb la pressió de l'aire podia moure el pistó.
En 1765 el mecànic escocès James Watt va millorar la màquina de Thomas Newcomen, i en 1782 va construir la primera màquina de vapor.
En 1787 l'inventor estatunidenc John Fitch va construir un vaixell de vapor, encara que aquest va fracassar financerament.
En 1807 Robert Fulton va botar el Clermont, el primer vaixell de vapor.
En 1814 l'anglès George Stephenson va construir la primera locomotora de vapor.
Funcionament de la màquina de vapor Llar: Exterior de la màquina, on es realitza la combustió. Caldera: Recipient d'acer on es genera vapor d'aigua. Està proveïda d'un nivell d'aigua per a observar l'altura d'aquesta, un manòmetre per a mesurar la pressió interior, i una vàlvula de seguretat que s'obre quan la pressió aconsegueix un determinat valor, evitant així que es produeixi una explosió. L'aigua és impulsada per una bomba i penetra en la caldera en estat líquid, a alta pressió i a temperatura ambient. En la caldera l'aigua s'escalfa i es vaporitza passant a un sobrescalfador connectat a la caldera, on la temperatura augmenta i es manté la pressió. El vapor d'aigua passa finalment al cilindre. Cilindre motor: Està constituït per la caixa de distribució, la corredissa i l'èmbol. El vapor d'aigua penetra en la caixa de distribució i entra en contacte amb l'èmbol alhora que el vapor d'aigua és empès cap a un orifici per on escapa dirigint-se cap a la xemeneia o al condensador. En el condensador, el vapor restant es liqua i cedeix al refrigerant. El líquid condensat és enviat novament per la bomba a la caldera, completant així el cicle. Òrgans transformadors del moviment: Aquests òrgans són el plançó, la biela i la manovella, tres varetes articulades que transformar el moviment alternatiu de l'èmbol en moviment circular. El plançó està unit a la biela per mitjà d'una creuera. La manovella gira a un volant d'inèrcia, la missió de la qual és mantenir constant la velocitat angular. El volant porta acoblat una excèntrica, que regula el moviment de la corredora.
Cicle de Rankine miniatura|Esquema d'una màquina de Carnot. miniatura|330px|Procés del cicle de Rankine.
El procés d'expansió del vapor d'aigua contra l'èmbol és adiabàtic, però no reversible, per la qual cosa no és isentròpic.
Perquè una màquina tèrmica seguís el cicle de Carnot caldria detenir la condensació del vapor abans que es liqüi per complet i, per mitjà d'un compressor, aconseguir que la mescla vapor-líquid aconsegueixi la seva liquació completa a la temperatura de la caldera.
Com això resulta impossible, l'enginyer escocès J. M. Rankine va proposar una modificació del cicle de Carnot, denominat cicle de Rankine.
L'aigua líquida de la caldera absorbeix la calor de la llar, eleva la seva temperatura a pressió constant. Mantenint la temperatura i la pressió constants es transforma en vapor saturat i sec reversiblement. El vapor saturat s'expandeix a l'interior de la màquina de manera adiabàtica i reversible, fins a aconseguir la temperatura del refrigerador i es condensa. El treball en aquest cas és positiu. Prossegueix la condensació a temperatura i pressió constants, formant-se així líquid saturat. El líquid saturat es comprimeix fins a aconseguir la temperatura i la pressió de la caldera.
En un cicle de Rankine amb sobreescalfament, la temperatura mitjana a la qual s'absorbeix la calor implica un major rendiment. El vapor roman sec durant tota l'expansió adiabàtica, per la qual cosa disminueix els perills a la corrosió.
Potència de la màquina de vapor La potència d'una màquina de vapor depèn de la pressió i la quantitat de vapor d'aigua admesa pel cilindre en la unitat de temps. Com la pressió varia, es considera un valor mitjà anomenat pressió mitjana efectiva.
La quantitat de vapor d'aigua per unitat de temps és igual al volum del cilindre corresponent a cada revolució multiplicat pel nombre de revolucions en unitat de temps. El volum es calcula multiplicant la secció de l'èmbol per la longitud de la carrera.
sent
la potència de la màquina, la pressió mitjana efectiva, la longitud de la carrera, la secció de l'èmbol, el nombre de revolucions per unitat de temps.
Quan el vapor d'aigua actua sobre totes dues cares de l'èmbol, la potència teòrica desenvolupada és el doble d'aquest valor.
A causa de fregaments i altres pèrdues, realment la potència sol ser un 70 o un 90% que la potència citada.
La grandària de la màquina de vapor es limita a potències de 1.000 CV, a velocitats de 213 m/min, a pressions de 14 kp/cm², a temperatures de 315 °C i a rendiments del 30%.
Les màquines de vapor s'han utilitzat com a òrgans motors de locomotoras, i vaixells. Actualment, han estat substituïdes per motors de combustió.
Turbina de vapor En la turbina de vapor el vapor d'aigua es distribueix per quatre tubs i actua directament sobre les paletes d'una roda, fent-la girar amb una velocitat d'unes 10.000 rpm.
La turbina de vapor manca de cilindre motor i d'òrgans transformadors del moviment, per la qual cosa el rendiment és major.
Actualment, la turbina de vapor s'empra en les centrals elèctriques, en la propulsió de vaixells i en les instal·lacions bufadors d'alts forns.
Classificació
Les màquines tèrmiques es divideixen en màquines tèrmiques generadores i màquines tèrmiques motores. Les màquines tèrmiques generadores són aquelles en les quals l'energia del fluid augmenta en travessar la màquina, absorbint treball mecànic. N'hi ha de dos tipus: Màquines tèrmiques generadores turbomàquines (per exemple, un turbocompressor) Màquines tèrmiques generadores volumètriques, que al seu torn poden ser alternatives (per exemple, un compressor de pistons) o rotatives (per exemple, un compressor rotatiu). Les màquines tèrmiques motores funcionen a l'inrevés, és a dir, l'energia del fluid disminueix en travessar la màquina, amb la consegüent generació de treball. També n'hi ha de dos tipus: Màquines tèrmiques motores turbomàquines (per exemple, una turbina) Màquines tèrmiques motores volumètriques, que al seu torn poden ser alternatives (per exemple, un motor de combustió interna alternatiu o un motor Stirling) o rotatives (per exemple, un motor Wankel).
Motors de combustió interna miniatura|280px|Motor antic de combustió interna.
El fonament dels motors de combustió interna és la realització de la combustió a l'interior del cilindre de la màquina, en els quals l'agent motor és el combustible barrejat amb l'aire necessari per a la combustió.
Existeixen diferents tipus de màquines de combustió interna depenent del combustible utilitzat, les condicions de la combustió i el nombre de carreres que efectua el pistó en un cicle. El moviment pot ser alternatiu, que el realitzen els motors d'explosió i de combustió, o rotatiu, que ho realitzen les turbines d'explosió i de combustió.
En les màquines de moviment alternatiu, la combustió és instantània, produïda per una espurna elèctrica, havent d'utilitzar-se combustibles gasosos o líquids molt volàtils, com per exemple la gasolina. En les màquines de moviment rotatiu es realitza d'una forma progressiva i a pressió constant, utilitzant-se com a combustibles líquids menys volàtils, com per exemple el gasoil.
En les màquines de combustió interna, els gasos de la combustió són els que circulen per la mateixa màquina. En aquest cas, la màquina serà necessàriament de cicle obert, i el fluid motor serà l'aire (no condensable) emprat com a comburent en la combustió.
Motors de combustió interna
Rotatiu Turbomàquina Turbina de gas de cicle obert Volumètric Motor Wankel, Quasiturbina Alternatiu Encès per compressió Motor dièsel Encesa provocada Motor d'explosió (Otto, Miller, de mescla pobra, de Cicle Atkinson) Reacció Motor coet Coet espacial de propulsant líquid/sòlid Aeroreactor sense compressor EstatoreactorPulsoreactor Aeroreactor amb compressor TurboreactorTurbofanTurbohèlix
Postulats de la termodinàmica
Qualsevol que sigui el procediment emprat per a convertir la calor en treball o viceversa, existeix una relació constant entre el treball desenvolupat i la calor consumida, sempre que l'estat final del sistema sigui igual a l'inicial (cicle termodinàmic). L'equivalent mecànic de la calor és 427 kgm/kcal o en el sistema de normes internacionals ISO 4.184 joules/1.000 cal. Una màquina tèrmica només pot efectuar treball si absorbeix calor d'una deu a temperatura superior i el cedeix en part a un altre a temperatura inferior. És a dir, la calor no pot transferir-se espontàniament d'un cos més fred a un altre més calent.
Eficiència L'eficiència d'una màquina tèrmica és la relació entre el treball mecànic útil obtingut i l'energia tèrmica que s'ha utilitzat.
Seguint les lleis de la termodinàmica:
on
és el treball obtingut de la màquina (el signe és negatiu ja que el treball és produït pel motor i no subministrat des de l'exterior).
és l'energia obtinguda del sistema d'alta temperatura (també amb signe negatiu ja que s'extreu de la font de calor, llavors és positiva).
és l'energia tèrmica transmesa al sistema de baixa temperatura.
Simplificant-ho la màquina tèrmica 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: