Màquines Tèrmiques: Tipus, Funcionament i Motors

Les Màquines Tèrmiques

Les màquines tèrmiques són aquelles que transformen l'energia tèrmica en energia mecànica, o a l'inrevés.

Un motor tèrmic és una màquina motriu que transforma l'energia tèrmica (calor) en energia mecànica.

Tipus de Combustió

• Combustió externa: Es crema un combustible fora de la màquina per escalfar i vaporitzar un fluid de treball (com l'aigua).
• Combustió interna: Es crema un combustible dins de la pròpia màquina. En cremar-se, s'alliberen gasos a alta pressió i temperatura que provoquen el moviment.

Tipus de Motors Tèrmics (Segons Moviment)

• Alternatius: No produeixen el moviment de rotació directament (ex: motor de pistó).
• Rotatius: Produeixen directament un moviment de rotació (ex: turbina).

Màquina de Vapor Alternativa

Està formada principalment per la caldera (on es genera el vapor), el cilindre amb el seu distribuïdor (on el vapor empeny el pistó) i el regulador (que controla la velocitat).

Turbines de Vapor

S'utilitzen principalment per accionar generadors elèctrics en centrals tèrmiques o nuclears, i també per propulsar grans vaixells (accionant les hèlices propulsores).

Funcionament

El vapor produït a la caldera és conduït cap a la turbina. Dins d'aquesta, hi ha una carcassa fixa que conté unes toveres que dirigeixen el vapor a gran velocitat cap a uns àleps situats a la perifèria d'un rotor giratori. Sota l'impuls de l'enorme pressió i velocitat del vapor, el rotor es veu obligat a girar. Aquestes s'anomenen turbines d'acció. També s'utilitzen molt les turbines d'acció i reacció.

Màquines de Combustió Interna

Són la base de la majoria de vehicles actuals: automòbils, tractors, camions, motocicletes, etc.

Tipus de Motors de Combustió Interna

• Motor d'encesa per guspira (Otto): Utilitza una bugia per inflamar la mescla d'aire i combustible.
• Motor d'encesa per compressió (Dièsel): Inflama el combustible en injectar-lo a l'aire prèviament escalfat per una alta compressió.

Motor de Quatre Temps (Otto)

El motor de gasolina funcional el va desenvolupar l'enginyer alemany Nikolaus Otto el 1876.

Cicle de Quatre Temps

• 1r temps: Admissió
  El pistó baixa, la vàlvula d'admissió s'obre i la mescla aire-combustible entra al cilindre.
• 2n temps: Compressió
  El pistó puja, les vàlvules es tanquen i la mescla es comprimeix fortament.
• 3r temps: Explosió (o Combustió/Expansió)
  Salta una guspira a la bugia, la mescla s'inflama ràpidament (explosió controlada) i l'expansió dels gasos empeny el pistó cap avall amb força.
• 4t temps: Escapament
  El pistó puja, la vàlvula d'escapament s'obre i els gasos cremats són expulsats del cilindre.

Motor de Dos Temps

Els motors més grans i potents solen ser de 4 temps (4T), mentre que molts motors més petits (motocicletes lleugeres, motoserres, etc.) són de 2 temps (2T). Funcionen de manera similar al 4T però completen el cicle en només dues curses del pistó. Utilitzen gasolina barrejada amb oli, ja que aquest oli lubrica les parts mòbils internes per reduir el fregament.

Cicle de Dos Temps

• 1er temps: Admissió i Compressió
  Mentre el pistó puja, comprimeix la mescla al cilindre i simultàniament descobreix la lumbrera d'admissió per on entra nova mescla al càrter.
• 2on temps: Explosió i Escapament
  La bugia inflama la mescla comprimida, empenyent el pistó cap avall. En baixar, el pistó descobreix la lumbrera d'escapament (per on surten els gasos cremats) i la lumbrera de transferència (per on la nova mescla del càrter entra al cilindre).

Motor Dièsel de Quatre Temps

Cicle Dièsel de Quatre Temps

• 1r temps: Admissió
  El pistó baixa i només entra aire al cilindre.
• 2n temps: Compressió
  El pistó puja i comprimeix fortament l'aire, elevant molt la seva temperatura. Al final de la compressió, s'injecta gasoil finament polvoritzat.
• 3r temps: Combustió (o Expansió)
  El gasoil s'inflama espontàniament en contacte amb l'aire calent i comprimit. La combustió genera una gran pressió que fa baixar el pistó, transmetent aquesta energia al cigonyal.
• 4t temps: Escapament
  El pistó puja i s'obre la vàlvula d'escapament per expulsar els gasos cremats.

Sistemes Auxiliars del Motor Tèrmic

Són sistemes essencials que ajuden al funcionament correcte i eficient del motor tèrmic:

• Sistema d'alimentació: Subministra el combustible (i l'aire en la proporció correcta) al motor.
• Sistema de refrigeració: Manté la temperatura del motor dins dels límits adequats (evita el sobreescalfament).
• Sistema d'encesa: Provoca la guspira en els motors Otto per iniciar la combustió.
• Sistema de lubrificació: Redueix el fregament entre les peces mòbils mitjançant oli.

La Combustió i les seves Emissions

La combustió dels carburants en els motors tèrmics, especialment els de combustió interna, genera diverses emissions contaminants:

• Òxids de carboni (CO, CO2): El CO és tòxic i el CO2 és un gas d'efecte hivernacle.
• Òxids de nitrogen (NOx): Contribueixen a la pluja àcida i a problemes respiratoris.
• Metalls pesants: Procedeixen d'additius del combustible o del desgast del motor.
• Fums o partícules de carboni (sutge): Especialment en motors dièsel, afecten la qualitat de l'aire.
• Combustible no cremat (hidrocarburs): Contribueixen a la formació d'ozó troposfèric.