Che cos'è un motore termico?
Un motore termico è un dispositivo utilizzato per convertire l'energia termica o calore in lavori meccanici. Questo viene fatto quando il calore, proveniente da una fonte calda, passa attraverso il motore stesso e finisce in un lavello freddo. Il lavandino freddo è la parte a bassa temperatura di un ciclo termodinamico, come l'unità di condensazione che si trova nel ciclo Rankine o vapore. Esistono molti tipi diversi di motori termici, ognuno dei quali ha il suo ciclo specifico. Alcuni esempi di motori termici includono motori a vapore e a combustione interna, insieme a motori Stirling e turbine a gas.
Comunemente, un motore termico viene confuso con il ciclo termodinamico che si svolge all'interno del motore stesso. Questo principalmente perché i motori termici sono spesso classificati in base ai loro specifici cicli termodinamici. Il dispositivo stesso che converte l'energia termica in funzionamento è noto come "motore", mentre il modello termodinamico applicato al motore è il "ciclo". Per questo motivo, i motori a vapore non vengono definiti motori Rankine.
Un efficiente motore termico proverà a imitare il rispettivo ciclo nel miglior modo possibile. Maggiore è la differenza di temperatura tra la fonte calda e il lavello freddo all'interno del ciclo, più efficiente è il motore. Ad esempio, un motore a vapore efficiente richiede sia una fonte di calore ad alta temperatura che un dissipatore a bassa temperatura. Nel ciclo Rankine, una caldaia utilizza un bruciatore ad alta temperatura per convertire l'acqua in vapore. Questo vapore passa attraverso il motore e viene quindi condensato nuovamente in acqua attraverso un condensatore a bassa temperatura.
Più freddo è il condensatore, più vapore verrà condensato nuovamente in acqua. Questo perché i condensatori sono realizzati per invertire efficacemente il processo di saturazione eseguito dalla caldaia. Ciò contribuirà a raggiungere tassi di condensazione più elevati; più alto è il tasso, più acqua verrà restituita. Questo aiuta ad aumentare l'efficienza complessiva del ciclo del vapore.
Mentre l'efficienza del motore termico può essere altamente ottimizzata attraverso una grande differenza di temperature tra la fonte calda e il lavandino freddo, è ancora limitata. Questo perché la temperatura del lavandino freddo dipende dalla temperatura che lo circonda, che in alcune situazioni non può essere raffreddata a condizioni ideali. Per questo motivo, l'efficienza di un motore termico è limitata ai limiti di temperatura del dissipatore di calore. Una soluzione comune a questo è quella di aumentare la temperatura della fonte calda; eppure anche questo è limitato alla mancanza di resistenza del materiale a temperature elevate.
L'efficienza del motore termico varia a seconda del motore e del ciclo specifici. L'efficienza termica varia dal 3% a circa il 70%, con i motori delle auto che raggiungono un'efficienza termica intorno al 25%. I motori termici più efficienti si trovano in grandi centrali elettriche, dove sia le turbine a gas che quelle a vapore vengono utilizzate per generare elettricità.