Motoarele Termice: Mașinile Care Fură Căldură și O Transformă în Mișcare – Materie BAC

Bun, hai să vorbim despre cele mai importante invenții care au propulsat Revoluția Industrială și lumea modernă: motoarele termice. De la mașinile cu abur care au schimbat lumea, la motoarele din automobilele și avioanele de azi, toate sunt motoare termice. Dar ce sunt cu adevărat? Nu sunt doar boxe de metal care fac zgomot. Sunt niște dispozitive ingenioase care fac un lucru aparent magic: transformă căldura în lucru mecanic util. Și principiul lor de funcționare este una dintre cele mai elegante aplicații ale fizicii.

---

1. Ce Este Un Motor Termic? – Definiția și Scopul

Un motor termic este un dispozitiv care transformă energie termică (căldură) în lucru mecanic, funcționând ciclic.

Gândește-te la el ca la o mașină care „fură” căldură dintr-un loc foarte fierbinte (sursa caldă), folosește o parte din ea pentru a produce mișcare, și aruncă restul căldurii într-un loc mai rece (sursa rece). Diferența dintre căldura luată și cea aruncată este lucrul mecanic util pe care îl obții.

Elementele ESENȚIALE ale oricărui motor termic:

1. Sursa Caldă (T_C): Un rezervor (faptic sau teoretic) la temperatură mare (ex: flacăra din camera de ardere, aburul supraîncălzit, miezul unui reactor nuclear). Furnizează căldura Q_primita.
2. Sursa Rece (T_R): Un rezervor la temperatură mai mică (ex: aerul atmosferic, apa de răcire, un râu). Primește căldura irosită Q_cedata.
3. Substanța de Lucru: Un fluid (de obicei un gaz sau abur) care suferă transformări ciclice. Este actorul principal care absoarbe căldura, se dilată, face lucru mecanic, apoi se resetează.
4. Dispozitiv de Lucru Mecanic: Ceva care capturează dilatarea substanței de lucru și o transformă în mișcare utilă (ex: piston, turbină).

2. Principiul de Funcționare – Logica Ciclului

De ce trebuie să fie ciclic? Pentru că motorul trebuie să funcționeze continuu, nu doar o dată. Substanța de lucru trece printr-o serie de transformări (încălzire, dilatare, răcire, comprimare) și apoi revine la starea inițială, gata să o ia de la capăt.

De ce trebuie să existe o sursă rece? Aceasta este POANTA FILOSOFICĂ a termodinamicii! Conform Principiului I (ΔU = Q - L), dacă substanța de lucru revine la starea inițială după un ciclu, atunci ΔU_ciclu = 0. Deci 0 = Q_total - L_total, adică L_total = Q_total.
Dar Q_total = Q_primita - |Q_cedata|. Deci L_total = Q_primita - |Q_cedata|.

Lucrul mecanic util produs de motor (L_total) este întotdeauna MAI MIC decât căldura primită de la sursa caldă (Q_primita). O parte din căldură (Q_cedata) trebuie să fie cedată obligatoriu sursei reci. Nu poți transforma toată căldura în lucru! Aceasta este o limită impusă de Principiul al II-lea al Termodinamicii, care spune că căldura nu poate trece spontan de la rece la cald.

3. Cât de Eficient Poate Fi Un Motor? – Randamentul Termic

Nu toată căldura primită se transformă în lucru util. O parte se „pierde” către sursa rece. Randamentul (η – eta) este măsura eficienței unui motor.

Formula Randamentului Termic:

η = (Lucrul Mecanic Util) / (Căldura Primita)

Sau, folosind notațiile noastre:

η = L_total / Q_primita

Și din L_total = Q_primita - |Q_cedata|, rezultă:

η = 1 - (|Q_cedata| / Q_primita)

Randamentul este întotdeauna sub 1 (sau sub 100%)! Nicio mașină termică reală nu poate avea randament 100%, pentru că ar însemna Q_cedata = 0, ceea ce contrazice Principiul al II-lea.

Care este randamentul maxim teoretic posibil? Randamentul Ciclului Carnot, un ciclu ideal, reversibil, care depinde doar de temperaturile absolute ale surselor:

η_Carnot = 1 - (T_Rece / T_Caldă)

• T trebuie să fie în Kelvin (K)!
• Cu cât sursa caldă e mai fierbinte și sursa rece mai rece, cu atât randamentul teoretic maxim e mai mare.
• Motoarele reale au randamentul mult mai mic decât al lui Carnot, din cauza frecărilor, pierderilor de căldură, etc. Un motor modern de mașină are randamentul de ~25-35%. O centrală termoelectrică mare poate ajunge la ~40-50%.

4. Tipuri de Motoare Termice – De la Abur la Explozie

1. Motorul cu Abur (Motor Termic Extern)

• Sursa caldă: Cazanul care produce abur la presiune și temperatură mari.
• Substanța de lucru: Aburul (apă).
• Funcționare: Aburul este introdus într-un cilindru, împinge un piston (sau o turbină), efectuează lucru, apoi este evacuat și condensat (cedând căldură sursei reci) și pompat înapoi în cazan.
• Aplicații: Vechi locomotive, turbine din centrale termice.

2. Motorul cu Ardere Internă – Cele Două Tipuri Principale

A) Motorul Otto (cu Aprindere prin Scânteie) – Motorul mașinilor cu benzină.

• Ciclul:
  1. Admisia: Amestec aer+benzină intră în cilindru.
  2. Comprimarea: Pistonul comprimă amestecul (crește T).
  3. Explozia: Bujia produce o scânteie care aprinde amestecul. Explozia rapidă (aproape izocoră) încălzește brusc gazul, crește presiunea enorm.
  4. Dilatarea (Cursa Lucrului): Presiunea mare împinge pistonul în jos, producând lucru mecanic.
  5. Evacuarea: Gazele arse sunt evacuate.
• Caracteristici: Are o bujie. Randament bun.

B) Motorul Diesel (cu Aprindere Prin Compresie)

• Ciclul:
  1. Admisia: Doar aer curat intră în cilindru.
  2. Comprimarea: Aerul este comprimat foarte puternic. Comprimarea adiabatică crește temperatura aerului peste punctul de autoaprindere al motorinei.
  3. Injectia și Arderea: Motorina este injectată sub presiune în aerul fierbinte. Se aprinde singură, fără bujie, arzând treptat în timp ce pistonul începe să coboare (aproape izobar).
  4. Dilatarea: Continuă producerea de lucru mecanic.
  5. Evacuarea:
• Caracteristici: Are injector, nu bujie. Compresie mult mai mare, randament mai bun decât Otto, dar emisii diferite.

3. Motorul cu Reacție (Turboreactor)

• Substanța de lucru: Aerul atmosferic.
• Aerul este aspirat, comprimat, apoi încălzit prin arderea cu kerosen în camera de ardere. Gazele foarte fierbinți și sub presiune se dilată violent printr-o turbină (care antrenează compresorul) și apoi sunt evacuate cu viteză mare prin ajutaj, producând forță de împingere (lucru mecanic) prin reacție.

---

În concluzie:

Motoarele termice sunt triumful ingineriei asupra limitelor naturii. Ele nu pot învinge legile termodinamicii, dar le exploatează ingenios pentru a ne oferi putere și mișcare.

Înțelegerea lor se bazează pe trei piloni:

1. Funcționarea ciclică pentru producție continuă.
2. Necesitatea obligatorie a unei surse reci către care să se cedeze căldură irosită (Q_cedata).
3. Randamentul subunitar, limitat de raportul temperaturilor (Carnot).

Așa că data viitoare când vei porni mașina, când vei urca într-un avion sau când vei vedea o centrală electrică, să știi că înăuntru are loc o coregrafie precisă de transformări termodinamice, unde căldura furată de la foc este transformată, cu pierderi inevitabile, în forța care ne mișcă lumea înainte.