Macchina termica
In ingegneria e termodinamica, un motore termico converte l'energia termica in lavoro meccanico utilizzando la differenza di temperatura tra una "fonte" calda e un "pozzo" freddo. Il calore viene trasferito dalla fonte, attraverso il "corpo di lavoro" del motore, al "pozzo", e in questo processo parte del calore si trasforma in lavoro utilizzando le qualità del gas o del liquido all'interno del motore.
Ci sono molti tipi di motori termici. Ognuno ha un ciclo termodinamico. I motori termici prendono spesso il nome dal ciclo termodinamico che usano, come il ciclo di Carnot. Spesso prendono nomi comuni, come benzina/benzina, turbina o motori a vapore.
I motori a combustione interna generano calore all'interno del motore stesso. Altri motori termici possono assorbire calore da una fonte esterna. I motori termici possono essere aperti all'aria o sigillati e chiusi all'esterno (Questo è chiamato un ciclo aperto o chiuso).
Figura 1: Diagramma del motore termico. TH è la fonte di calore e TC il dissipatore freddo. QH è il calore che entra nel motore. QC è il calore di scarto che va nel dissipatore freddo. W è il lavoro utile che esce dal motore.
Panoramica
Quando gli scienziati studiano i motori termici, vengono fuori con idee per motori che non possono essere effettivamente costruiti. Questi sono chiamati motori o cicli ideali. I motori termici reali sono spesso confusi con i motori o cicli ideali che cercano di imitare.
Di solito quando si descrive il dispositivo fisico si usa il termine 'motore'. Quando si descrive l'ideale si usa il termine 'ciclo'.
Si potrebbe dire che il ciclo termodinamico è un caso ideale del motore meccanico. Si potrebbe anche dire che il modello non corrisponde perfettamente al motore meccanico. Tuttavia, si ottiene molto beneficio dai modelli semplificati e dai casi ideali che possono rappresentare.
In termini generali, maggiore è la differenza di temperatura tra la sorgente calda e il pozzo freddo, più efficiente è il ciclo o il motore. Sulla Terra, il lato freddo di qualsiasi motore termico è limitato alla temperatura dell'aria del luogo in cui si trova il motore.
La maggior parte degli sforzi per migliorare l'efficienza dei motori termici consiste nell'aumentare la temperatura della fonte di calore, ma a temperature molto alte il metallo del motore comincia ad ammorbidirsi.
L'efficienza dei vari motori termici proposti o usati oggi varia dal 3 per cento (97 per cento di calore residuo) per la proposta di potenza oceanica OTEC al 25 per cento per la maggior parte dei motori automobilistici, al 45 per cento per un impianto a carbone supercritico, a circa il 60 per cento per una turbina a gas a ciclo combinato raffreddata a vapore. Tutti questi processi guadagnano la loro efficienza (o la loro mancanza) a causa del calo di temperatura che li attraversa.
Il meno efficiente, OTEC, usa la differenza di temperatura dell'acqua dell'oceano in superficie e l'acqua dell'oceano dalle profondità, una piccola differenza di forse 25 gradi Celsius, e quindi l'efficienza deve essere bassa.
La più efficiente, la turbina a gas a ciclo combinato brucia gas naturale per riscaldare l'aria a quasi 1530 gradi Celsius, una grande differenza di temperatura di 1500 gradi Celsius, e così l'efficienza può essere molto grande quando il ciclo di raffreddamento a vapore viene aggiunto.
Esempi quotidiani
Le persone usano per lo più motori termici in cui il calore proviene da un fuoco che espande un fluido di lavoro (di solito acqua o aria) e il dissipatore di calore è un corpo d'acqua o l'atmosfera come in una torre di raffreddamento.
Quelli familiari che usano l'espansione di gas riscaldati sono: il motore a vapore, il motore diesel e il motore a benzina di un'automobile.
Il motore Stirling è molto più raro ma si trova in piccoli modelli che possono funzionare con il calore di una mano.
Un tipo di motore termico giocattolo è l'uccello bevitore.
Una striscia bimetallica è un dispositivo che converte la temperatura in movimento meccanico e viene usato nei termostati per controllare la temperatura. È un motore termico che non utilizza un liquido o un gas.
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Domande e risposte
D: Che cos'è un motore termico in ingegneria e termodinamica?
R: Un motore termico è un dispositivo che converte l'energia termica in lavoro meccanico, sfruttando la differenza di temperatura tra una "fonte" calda e un "lavandino" freddo.
D: Come funziona un motore termico?
R: Il calore viene trasferito dalla sorgente attraverso il corpo di lavoro del motore al serbatoio e, in questo processo, una parte del calore viene convertita in lavoro utilizzando le proprietà del gas o del liquido all'interno del motore.
D: Quali sono i cicli termodinamici associati ai motori di calore?
R: Esistono molti tipi di motori termici, ognuno con un ciclo termodinamico specifico. Prendono il nome dal ciclo termodinamico che utilizzano, come il ciclo di Carnot.
D: Quali sono alcuni esempi di motori termici che prendono il nome da oggetti di uso quotidiano?
R: Alcuni esempi di motori termici che prendono il nome da oggetti di uso quotidiano sono i motori a benzina, i motori a turbina e i motori a vapore.
D: Come generano il calore i motori a combustione interna?
R: I motori a combustione interna generano calore all'interno del motore stesso.
D: I motori termici possono essere aperti all'aria?
R: Sì, i motori termici possono essere aperti all'aria o sigillati e chiusi all'esterno. Questo si chiama ciclo aperto o chiuso.
D: Tutti i motori termici assorbono il calore da una fonte esterna?
R: No, mentre alcuni motori termici possono assorbire calore da una fonte esterna, altri possono generare calore all'interno del motore stesso.
