Motoare termice și randamentul

Ce face un motor termic

Un motor termic transformă CĂLDURA în LUCRU MECANIC, funcționând ciclic între două surse:

1. primește căldura $Q_1$ de la sursa CALDĂ (arderea combustibilului);
2. efectuează lucrul mecanic $L$;
3. cedează obligatoriu căldura $Q_2$ sursei RECI (evacuare, radiator).

Bilanțul pe ciclu: $L = Q_1 - Q_2$ (pe un ciclu complet $\Delta U = 0$).

Randamentul

$\eta = \dfrac{L}{Q_1} = \dfrac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \dfrac{Q_2}{Q_1}$

Randamentul e întotdeauna SUBUNITAR ($\eta < 1$): o parte din căldură se cedează inevitabil sursei reci: enunț echivalent cu principiul al II-lea al termodinamicii.

Exemple rezolvate

1. Un motor primește $Q_1 = 1000$ J și cedează $Q_2 = 600$ J.

$L = 1000 - 600 = 400 \; \text{J}, \qquad \eta = \dfrac{400}{1000} = 40\%$

2. Un motor cu $\eta = 25\%$ efectuează $L = 500$ J pe ciclu. Ce căldură primește?

$Q_1 = \dfrac{L}{\eta} = \dfrac{500}{0{,}25} = 2000 \; \text{J}; \qquad Q_2 = 1500 \; \text{J}$

3. Puterea: dacă motorul face 10 cicluri pe secundă cu $L = 400$ J/ciclu: $P = 4000$ W.

Motoarele reale (reperele de cultură fizică)

1. motorul Otto (benzină): aprindere prin scânteie, cicluri în 4 timpi (admisie, compresie, ardere-destindere, evacuare);
2. motorul Diesel: aprindere prin comprimare (fără bujie);
3. randamentele reale: aproximativ 25-40%: majoritatea energiei se pierde ca și căldură.

Greșeli frecvente

1. Randamentul se raportează la $Q_1$ (căldura PRIMITĂ), nu la $Q_2$.
2. $\eta = 40\%$ înseamnă 0,40 în calcule, nu 40.
3. Pe un CICLU complet $\Delta U = 0$: de aceea $L = Q_1 - Q_2$; pe o transformare izolată nu e valabil.