Scientia

Motorul termic ca mijloc de propulsie...

Una dintre cele mai importante aplicaţii practice ale principiilor termodinamicii este motorul termic. În cadrul unui motor termic, căldura este extrasă dintr-o substanţă aflată la o temperatură ridicată şi convertită parţial în lucru mecanic. Putem spune deci că motoarele termice transferă lucru mecanic exteriorului în schimbul energiei primite sub formă de căldură din mediul înconjurător. Motoarele termice nu au un randament de 100%, cum de altfel niciun motor construit de mâna omului nu are. În acest caz explicaţia este că energia termică rămasă (care nu este convertită în lucru mecanic) se pierde, fiind eliberată în mediul din vecinătatea motorului, care are o temperatură mai scăzută. Cel mai cunoscut motor termic este motorul cu aburi folosit la propulsarea locomotivei cu aburi. Şi primele generatoare electrice erau tot nişte motoare termice care, asemenea locomotivei cu aburi, foloseau apa pe post de agent termic, convertind de fapt puterea aburului în expansiune în lucru mecanic (vezi figura de mai jos).

În figura de mai sus, introducerea de energie în sistem sub formă de căldură duce la creşterea temperaturii agentului termic folosit (în acest caz apa), lucru care îi permite acesteia să efectueze lucru mecanic. La temperaturi ridicate aburii (apa în stare gazoasă) împing un piston care, la rândul său, generează şi întreţine mişcarea circulară a unei roţi. Acesta este mecanismul care stă la baza funcţionării locomotivei cu aburi.

Motorul termic inversat

Dacă ne-am imagina un motor termic care să funcţioneze invers, ar trebui să inversăm ciclul acestuia de funcţionare, deci s-ar inversa toate transferurile de energie care au loc într-un motor termic. Unui asemenea motor termic “inversat” ar trebui să i se transfere lucru mecanic pentru a trece energia sub formă de căldură dintr-o zonă mai rece spre o zonă mai caldă. O asemenea maşină se numeşte pompă termică.

În figura de mai sus observăm cum introducând lucru mecanic (generat electric) în sistem acţionăm un piston al unui compresor care împinge aburul în sistemul de conducte al unui condensator. Pe măsură ce apa trece în stare lichidă cedează din căldura aburilor, crescând temperatura aerului din jurul conductelor.

În 1851, în statul american Florida, fizicianului John Gorrie i se acorda primul patent înregistrat vreodată în SUA pentru o maşină frigorifică. Maşina folosea un sistem bazat pe o astfel de pompă termică. Erau vremuri în care malaria ucidea mii de oameni în SUA şi, deoarece iarna epidemiile luau sfârşit, Gorrie era convins că soluţia pentru vindecarea bolii ar fi construirea unei maşinării cu care să răcească saloanele spitalelor din Florida pe timpul toridei veri americane. Maşina frigorifică a lui Gorrie folosea o pompă cu care comprima aerul, crescându-i astfel temperatura (lucrul mecanic se transforma în căldură). Aerul comprimat era trecut printr-o reţea de conducte plasate în apă rece, ceea ce ducea la încălzirea apei. Aerul era apoi adus la presiune normală, dar pentru că cedase căldură apei, temperatura sa scădea şi mai mult în timpul procesului de decompresie, ajungea la o temperatură mai scăzută faţă de cea iniţială, astfel că putea fi folosit pentru răcirea camerelor de spital.

Frigiderele moderne folosesc acelaşi principiu al motorului termic inversat. În timp ce un motor termic converteşte căldura (energia termică) dintr-o zonă aflată la temperaturi ridicate în lucru mecanic, un frigider converteşte lucrul mecanic în căldură. Frigiderele moderne nu mai folosesc aerul ca agent de răcire; sunt folosite alte substanţe, cum ar fi propanul, cu temperaturi de fierbere coborâte. Agenţii de răcire trec din stare gazoasă în stare lichidă pe măsură ce le scade temperatura, proces pe parcursul căruia se cedează căldura acumulată în interiorul frigiderului în aerul din vecinătatea aparatului.