Presentació per a utilitzar en 3r d'ESO per explicar el tema de màquines tèrmiques. El tema correspon al tema 7 del quadern pràctic de l'alumne. Editorial McGrawHill.

1. Màquines
Tèrmiques
Tema 3 (tema 7 del quadern)

2. 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. 3.1.- Les màquines tèrmiques

4. 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.

5. 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

6. 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

7. 3.2.- Màquines tèrmiques de combustió externa
- 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

8. 3.2.- Màquines tèrmiques de combustió externa
Màquina de vapor
Representació d’una màquina de vapor

9. 3.2.- Màquines tèrmiques de combustió externa
- 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

10. 3.2.- Màquines tèrmiques de combustió externa
- 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

11. 3.2.- Màquines tèrmiques de combustió externa
Turbina de vapor
Instal·lació de vapor
d’una central tèrmica

12. 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.

13. 3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
Parts d’un motor de
combustió interna

14. 3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
- 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

15. 3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
- 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

16. 3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
- 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

17. 3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
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.

18. 3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
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

19. - 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.
3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
Característiques dels motors
Relació de compressió

20. - 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.
3.3.- Màquines de combustió interna alternatives
Característiques dels motors
Potència i parell motor

21. - 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

22. - 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

23. - 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

24. ❖ 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.
3.5.- Els combustibles

25. ❖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.
3.5.- Els combustibles
Fer les activitats 21, 22
i 23 de la pàgina 108

26. - 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

27. ❖ 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.
3.6.- Alternatives a les màquines tèrmiques en el transport

28. ❖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.
3.6.- Alternatives a les màquines tèrmiques en el transport
Fer les activitats 25, 26
i 28 de la pàgina 110

29. Màquines
Tèrmiques
Fi del Tema 3 (tema 7 del quadern)
Fer les activitats finals
d’avaluació de la
pàgina 111 i 112