Màquines tèrmiques 3r d'ESO, Quadern de l'alumne. Editorial McGrawHill.

Màquines Tèrmiques

Tema 3 (tema 7 del quadern)

3.1.- Les màquines tèrmiques- Les màquines tèrmiques són les que transformen l’energia tèrmica en

energia mecànica o a l’inrevés.

Dintre d’aquest tema ens ocuparem d’estudiar les màquines que transformen l’energia tèrmica, procedent de la combustió d’algun material en energia mecànica, i que normalment anomenem motors.

- Un motor tèrmic és una màquina motriu que transforma l’energia tèrmica o la calor en energia mecànica.

3.1.- Les màquines tèrmiques

3.1.- Les màquines tèrmiques- En les màquines de combustió externa el combustible es crema a fora de

la màquina i s’aprofita la calor despresa per escalfar i vaporitzar aigua. El vapor d’aigua produït és el que s’encarregarà, a través d’una sèrie de dispositius, de realitzar el treball motriu.

- En les màquines de combustió interna el combustible es crema a l’interior de la màquina i són els gasos produïts en la combustió els encarregats de produir el treball motriu.

3.1.- Les màquines tèrmiques- Les màquines alternatives deuen el seu nom al fet que incorporen un

èmbol o pistó que té moviment rectilini alternatiu i un mecanisme de biela-manovella per transformar el moviment alternatiu en moviment de rotació.

- En canvi, les màquines rotatives produeixen directament el moviment de rotació.

Fer activitats 1, 2, 3 i 4 pàgina 101

3.2.- Màquines tèrmiques de combustió externa

- Són les màquines on la combustió es produeix fora de la màquina: la màquina de vapor i la turbina de vapor.

- La màquina de vapor està formada, bàsicament, per una caldera, un distribuïdor, un cilindre, un regulador i un mecanisme biela-manovella.

Màquina de vapor


- Caldera: formada per un dipòsit on es produïa el vapor d’aigua a través de la calor subministrada per la combustió d’un material combustible, normalment carbó.

- Distribuidor: encarregat de distribuir el vapor a elevada pressió produït per la caldera cap el cilindre.

- Cilindre: actuador que transmet el moviment a la roda motriu a través d’un sistema de biela-manovella. En el cas dels ferrocarrils accionava directament les rodes de la locomotora.

- Regulador: aparell que s’encarregava d’aconseguir una velocitat de rotació de l’arbre motriu constant per qualsevol règim de treball (en càrrega o en buit).

Màquina de vapor


Màquina de vapor

Representació d’una màquina de vapor


- Les màquines de vapor alternatives estan en desús ja que han estat substituïdes pels motors de combustió interna o per motors elèctrics. Tanmateix, a les centrals tèrmiques i nuclears productores d’energia elèctrica i en alguns vaixells de gran tonatge, s’utilitzen les turbines de vapor per accionar respectivament els generadors o les hèlixs propulsores. Les turbines de vapor són màquines rotatives ja que no incorporen cap mecanisme alternatiu com el biela-manovella usat a les màquines.

Turbina de vapor


- Per accionar les turbines és necessària la caldera productora de vapor d’aigua, aquest vapor és conduït cap a la turbina on hi ha una carcassa fixa que conte unes toveres que el dirigeixen cap uns àleps situats a la perifèria d’una roda o rodet giratori, que sota l’impuls de l’enorme pressió del vapor es veu obligat a girar. En aquest cas s’anomenen turbines d’acció.

- Els combustibles que acostumen a fer servir les turbines de vapor són el gas natural, el fuel i els combustibles nuclears.

Turbina de vapor

Vídeo turbina d’acció

Fer activitats 6, 7, 8, 10, 11, 12 i 13 de la pàgina 103


Turbina de vapor

Instal·lació de vapor d’una central tèrmica

3.3.- Màquines de combustió interna alternatives

- Els automòbils, les motocicletes, els camions, els tractors… utilitzen com a màquines motrius màquines de combustió interna com ara els motors d’explosió o els motors dièsel. Aquests motors realitzen el treball a partir d’una combustió que es produeix dins de la mateixa màquina.

- Tenen elements comuns amb la màquina de vapor, com poden ser, el cilindre, pistó o èmbol i el mecanisme biela-manovella. En canvi no disposen de caldera, ja que la combustió es produeix violentament dins del cilindre.

- Hi ha dos tipus de motors de combustió interna: els motors d’encesa per guspira o de cicle de Otto i els d’encesa per compressió o de cicle dièsel.


Parts d’un motor de combustió interna


- El motor d’encesa per guspira es basa en el cicle de Otto o de quatre temps (4T) que s’anomenen: admissió, compressió, explosió i escapament.

Motors d’encesa per guspira o de cicle de Otto

Resum il·lustrat de les fases d’un motor de gasolina (cicle de Otto) (4T)

Vídeo cicle de Otto (Discovery Max)

Animació cicle de Otto


- Fases de funcionament d’un motor de gasolina (cicle de Otto):➢ Admissió: s’obre la vàlvula d’admissió, el pistó baixa i es produeix

l’entrada d’aire amb gasolina polvoritzada.➢ Compressió: els vàlvules estan tancades, el pistó puja i comprimeix la

mescla d’aire i combustible.➢ Explosió: la guspira produïda elèctricament per una bugia provoca la

combustió de la mescla, i per tant aquests gasos provocats impulsen el pistó cap avall amb molta força de nou fins al punt mort inferior.

➢ Escapament: s’obre la vàlvula d’escapament, el pistó puja i els gasos són expulsats a l’exterior del cilindre.

A partir d’aquí torna a començar el cicle per el primer temps.El combustible utilitzat per aquests motors és la gasolina.

Motors d’encesa per guspira o de cicle de Otto


- El motor d’encesa per compressió també es coneix com a motor dièsel.

Motors d’encesa per compressió o motor Dièsel

Resum il·lustrat de les fases d’un motor dièsel (4T)

Animació motor dièsel

Vídeo motor dièsel


Motors d’encesa per compressió o motor Dièsel

- Fases de funcionament d’un motor dièsel (gasoil):➢ Admissió: s’obre la vàlvula d’admissió, el pistó baixa i es produeix

l’entrada només d’aire.➢ Compressió: els vàlvules estan tancades, el pistó puja i comprimeix la

mescla d’aire a pressions més elevades que en el motor d’encesa per guspira, augmentant la temperatura de l’aire.

➢ Explosió: no s’utilitza cap bugia, un injector introdueix al cilindre el combustible polvoritzat i, quan entra en contacte amb l’aire comprimit i calent, es produeix l’explosió espontàniament. El pistó es veu impulsat amb força cap avall.

➢ Escapament: s’obre la vàlvula d’escapament, el pistó puja i els gasos són expulsats a l’exterior del cilindre.


Característiques dels motors

- La cilindrada dels motors és un valor característic que ens dóna una idea de la grandària, la potència i el consum del motor. Normalment, a més cilindrada més grandària, més potència i més consum.

Volum del cilindre

Cilindrada

- La relació de compressió en els motors, és la relació que hi ha entre el volum màxim del cilindre, amb el pistó al PMI, i el volum mínim, amb el pistó al PMS.



Relació de compressió

- La potència depèn del moment o parell motor i de la velocitat de rotació del cigonyal. Normalment a més cilindrada més potència, però també més consum de combustible.



Potència i parell motor

- Les turbines de gas de cicle obert són emprades bàsicament en la propulsió d’aeronaus i per la producció d’energia elèctrica. També consten de 4 fases que es van succeint de forma simultània en diferents llocs de la màquina.

3.4.- Màquines de combustió interna rotatives

La turbina de gas de cicle obert

Vídeo funcionament bàsic d’una turbina de gas de cicle obert

- Els turboreactors tenen un funcionament semblant a les turbines de gas de cicle obert, i s’utilitzen bàsicament en la propulsió d’avions.

3.4.- Màquines de combustió interna rotatives

La turbina de gas de cicle obert

Fer totes les activitats de la pàgina 106

- Els motors tèrmics poden utilitzar diferents tipus de combustibles que, en funció del seu origen, podem classificar en:

❖ Combustibles fòssils: com el carbó, el fueloil, la gasolina i el gasoil que estan formats per una mescla d’hidrocarburs. L’oxigen per la combustió s’obté de l’aire que, a més, conté nitrogen. L’efecte dels compostos resultants de la combustió d’aquests tipus de combustibles és perjudicial pel medi ambient.

3.5.- Els combustibles

❖ Biocombustibles: són un conjunt de combustibles líquids obtinguts per la transformació de productes i subproductes d’origen vegetal (biomassa). Són menys contaminants que els combustibles fòssils. Pel que fa a les emissions de CO2, per exemple, és pràcticament neutre que que el CO2 que desprenen al cremar-se va ser absorbit prèviament pels vegetals d’on provenen en el seu procés de fotosíntesi.

❖ Biodièsels: s’obtenen a partir d’olis vegetals de procedències molt diverses com, per exemple, el reciclatge d’olis de cuina usats. Són utilitzats com a substituts del gasoil en els motors d’encesa per compressió.


❖Bioalcohols: es poden obtenir a partir de la transformació de plantes riques en sucres com la canya de sucre, la remoltxa, etc. Els més utilitzats són el metanol i l’etanol. Es fan servir com a substituts de la gasolina en els motors d’encesa per guspira.


Fer les activitats 21, 22 i 23 de la pàgina 108

- Com a alternativa als combustibles d’origen fòssil i per tal de preservar el medi ambient, s’han començat a fabricar automòbils propulsats amb altres tipus de motor, d’entre els quals destaquen els elèctrics, els de pila de combustible i els híbrids.

❖ Automòbils elèctrics: el principal avantatge que tenen és que són silenciosos i que no emeten cap tipus de gas ni de substància i per tant no contaminen. L’inconvenient és que tenen una autonomia i unes prestacions molt limitades, llavors cal recarregar les bateries periòdicament.

3.6.- Alternatives a les màquines tèrmiques en el transport

❖ Pila de combustible: les piles de combustible produeixen electricitat a partir d’un combustible, normalment l’hidrogen, i emeten vapor d’aigua a l’atmosfera que no és contaminant ni produeix efecte hivernacle. L’inconvenient d’aquestes piles són els sistemes de seguretat necessaris per a la manipulació de l’hidrogen.

Mentre el vehicle elèctric o la pila de combustible no esdevinguin una alternativa comercial als motors tèrmics, la indústria ha desenvolupat la tecnologia híbrida que consisteix en vehicles que incorporen dos tipus de motors, l’elèctric i el tèrmic, unes bateries i un sistema electrònic per controlar el funcionament de tots dos sistemes.


❖Vehicle híbrid: té diversos modes de funcionament segons les circumstàncies en què es troba. A baixa velocitat funciona com un vehicle elèctric alimentat per les bateries, aquestes són recarregades a través del motor tèrmic a partir d’un generador. Quan necessita potència els dos motors col·laboren en la tracció. Quan frena, les rodes accionen el generador i es carrega la bateria i quan el vehicle s’atura, el motor tèrmic s’atura i no hi ha cap mena de consum ni de soroll.


Fer les activitats 25, 26 i 28 de la pàgina 110

Màquines Tèrmiques

Fi del Tema 3 (tema 7 del quadern)

Fer les activitats finals d’avaluació de la pàgina 111 i 112

Màquines tèrmiques 3r d'ESO, Quadern de l'alumne. Editorial McGrawHill.

Education