Entropia, màquines tèrmiques i cicles termodinàmics

L'entropia:

En termodinàmica, la entropía es la magnitud física que mideix la part de l'energía que no pot utilizarse per produir traball. Es a dir, es el fluix de calor que evoluciona d'un sistema a un altre de menys temperatura fins a arribar a l'univers.

Maquines termiques generadores d'energia mecànica:

Caracteristiques.

• Reben calor d'una font calenta o d'alta temperatura (energia solar, petroli, carbó, etc..)
• Transformen en treball una certa quantitat de calor que reben (normalment en forma d'un eix de rotació)
• Alliberen una certa quantitat de calor a una font freda o de baxa temperatura (en l'aire, a un riu, al mar, etc.)
• Operen dins d'un cicle

Cicles termodinàmics:

En aquests tipus de màquines és on millor es pot fer una aproximació a la màquina ideal de Carnot.
a) Al forn o als cremadors es duu a terme la combustió, de carbó, gasoil, fuel, gas o qualsevol altre material combustible. La calor generada en aquesta font calenta Q, és absorbida per l'aigua de la caldera. b) A la caldera, l'aigua es vaporitza a causa de la calor absorbida (calor latent de vaporització) i la temperatura es manté constant per raó del canvi de fase. Per tant, s'expandeix isotèrmicament d'1 a 2 a una temperatura Th, fins a la turbina. c) A la turbina hi ha una expansió adiabàtica i la temperatura i la pressió baixen. d) El vapor surt de la turbina i va al condensador, on es condensa l'aigua a temperatura Tc, constant, també a causa del canvi de fase, invers a l'inicial (de vapor a líquid). És, per tant, una compressió isotèrmica a causa de la reducció de volum. Hi ha una cessió de calor Q a la font freda, que és la substància de refrigeració.e) Finalment, l'aigua és comprimida adiabàticament fins a la pressió de la caldera perquè hi pugui tornar a entrar.

A la practica, però, a la sortida del condensador el vapor no ha estat condensat totalment, per la qual cosa resulta impossible bombar-lo dins la caldera. Llavors cal continuar extraient més calor per tal de transformar-lo en aigua líquida i poder-la bombar. A més, a la sortida de la caldera i abans d'arribar a la turbina, el vapor passa pel reescalfador, on la seva temperatura i pressió augmenten per sobre les que tenia a la sortida de la caldera, amb la qual cosa augmenta també la seva efectivitat a la turbina.

4t:

Les transformacions termodinàmiques són bastant diferents a les màquines de combustió externa com ara les de vapor, ja que no s'extreu la calor directament d'una font calenta exterior, sinó que és subministrada directament a la màquina per una combustió en un dels processos.
a) De la posició 1 a la posició 2 hi ha la compressió, que teòricament és adiabàtica.
b) De la posició 2 a la posició 3 hi ha l'explosió, que teòricament s'esdevé en un volum constant, és a dir, en un procés isocor, en el qual la temperatura i la pressió augmenten notablement a causa de la calor aportada per la combustió de la mescla gasosa aire-gasolina.
c) De la posició 3 a la posició 4 hi ha una expansió, teòricament també adiabàtica.
d) De la posició 4 a la posició 1 el procés és teòricament a volum constant, en el qual els gasos perden pressió en obrir-se la vàlvula d'escapament.
Abans de retornar a la posició 1 de compressió, el motor ha de fer treball negatiu, ja que ha d'efectuar l'escapament i expulsar els gasos cremats i després fer-ne l'admissió per iniciar el cicle de treball positiu. Aquest treball negatiu teòricament és nul i és representat per una línia recta horitzontal en el diagrama pV. Cal observar l'arrodoniment de les parts superior i inferior del cicle de treball positiu. Això és així perquè l'explosió no és exactament a volum constant, ja que comença una mica abans que el pistó arribi al PMS, igual que la vàlvula d'escapament s'obre, també, una mica abans del PMI. L'àrea acolorida de la part inferior representa el treball negatiu fet en l'admissió i l'escapament i que, realment, com podem observar al diagrama, no és nul, a causa de les forces contràries al moviment (com la fricció). Els diagrames reals, com el d'aquesta figura, s'obtenen directament per mitjà d'uns aparells anomenats indicadors, que es connecten al cilindre mitjançant la culata del motor.

Sistemes de millora de potència i rendiment en motors tèrmics

Un sistema per augmentar la potència i el rendiment dels motors termics és augmentar el grau de compressió. Aquest fet comporta un augment de la temperatura i la pressió en el moment de l'explosió que dona lloc a un cicle de treball més gran. Tanmateix, un augment excessiu de la pressió comporta la construcció de motors més robustos i amb més problemes mecànics. A més a més, en els motors Otto, l'existència de pressions i temperatures elevades provoca la detonació o autoencesa durant la compressió, és a dir, abans que salti la guspira, amb la qual cosa el rendiment queda molt afectat. Tot plegat fa que el grau de compressió resti limitat a uns valors determinats. Un dels sistemes més eficaços per augmentar la potència és sobrealimentar el motor. La sobrealimentació consisteix a forçar l'entrada d'aire, durant l'admissió, per mitjà d'un compressor. L'entrada de més aire, tant als motors dièsel com als Otto, fa que la combustió sigui molt més efectiva. Malgrat que pot semblar que un motor sobrealimentat ha de tenir més consum de combustible, la majoria de vegades no és així, ja que fins i tot es redueix a conseqüència de la millora del rendiment que comporta un bon emplenament del cilindre en l'admissió. El compressor utilitzat per a la sobrealimentació sol ser una turbina accionada pels mateixos gasos d'escapament, per la qual cosa els motors que la duen solen anomenar-se motors turboalimentats o simplement motors turbo. Malgrat això, quan l'aire o la mescla són introduïts per la turbina dins del cilindre, a causa de la compressió n'augmenta la temperatura i, per tant, també el volum específic (relació entre el volum i la massa), que redueix la massa d'oxigen per unitat de volum que entra al cilindre i, per tant, l'efecte de la compressió. Per tal d'evitar aquest efecte, se situa un bescanviador de calor o intercooler a la sortida del compressor per tal de refrigerar l'aire o la mescla abans que entri al cilindre. Avui dia, la majoria de motors dièsel de 4 cilindres o més utilitzen la tecnologia anomenada de conducte comú amb injecció directa, a més dels sistemes turbointercooler. Aquesta tecnologia consisteix en una bomba que manté el combustible dins un conducte comú per a tots els cilindres, a alta pressió. Els injectors prenen el combustible del conducte comú en lloc de ser alimentats individualment per la bomba. Això permet controlar electrònicament el moment i la durada de la injecció, a més de mantenir la pressió d'injecció constant.

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 q 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 o un combustible líquid polvoritzat q, barrejat amb l'aire, inicia la combustió. Els gasos produïts en la combustió surten a gran velocitat, passen per la turbina i la fan girar.

Sobre el mateix arbre de la turbina està muntat el compressor, de manera q part del treball efectuat pels gasos a la turbina s'inverteix en l'accionament del compressor. L'entrada d'aire, la compressió, la combustió i l'expansió es duen a terme de manera continuada; només cal una guspira a la cambra de combustió en el moment de la posada en marxa del motor. El treball s'obté a l'arbre, solidari a la turbina i al compressor, q es pot acoblar a un alternador о a qualsevol dispositiu.

Com a variants de les turbines de gas de cicle obert hi ha altres tipus de motors rotatius amb un funcionament semblant; cal destacar-ne el turboreactor. En aquest motor hi ha una admissió d'aire que és comprimit per un compressor solidari a l'eix de la turbina i dirigit dins la cambra de combustió, on barrejat amb el combustible es duu a terme una combustió continuada. Els gasos generats a gran velocitat i alta temperatura són expulsats cap a l'exterior tot passant pels àleps de la turbina, q gira solidària a l'eix del compressor. En aquests motors és la gran velocitat dels gasos de sortida la q, mitjançant el principi d'acció-reacció, origina una empenta en sentit contrari sobre el motor i el fa avançar.

Els catalitzadors Per tal de reduir l'impacte q produeix l'emissió de gasos i partícules contaminants, és obligatori l'ús del catalitzador. El catalitzador és un dispositiu q depura els gasos de l'escapament. Es basa en una mena de filtres q contenen una sèrie de substàncies per on passen els gasos de l'escapament abans de ser expulsats. Aquestes substancies fan q alguns dels elements contaminats, com ara el monòxid de carboni, q és molt tòxic, reaccionin amb l'oxigen de l'aire i es transformi en dioxid de carboni, que no és tòxic. També faciliten la combustió del combustible q no s'ha cremat i ajuden a eliminar altres elements contaminants.