Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a IV-a, 2006 213 Studiul funcţionării motoarelor termice cu ajutorul calculatorului Autor: Liliana-Violeta Constantin Colegiul National Elena Cuza e-mail: lilianaaa29@yahoo.com sau liliana2009constantin@yahoo.com Abstract: Natura continuă sa rămână o «carte» permanent deschisa unei învăţări directe, pe care elevii urmează să se desprindă să o «citească» cu o vie curiozitate şi pasiune. Uneori acest lucru este dificil deoarece este aproape imposibil de abordat realitatea în forma în care se prezintă. De aceea se folosesc modele şi simulări virtuale. La studiul motoarelor termice elevii se confruntau cu mari dificultăţi deoarece le era foarte greu să înţeleagă cum funcţionează un motor termic numai din nişte explicaţii sumare şi câteva desene realizate la tablă. De aceea lucrarea abordează studiul funcţionării motoarelor termice dintr-o perspective modernă în care calculatorul joacă un rol extrem de important. 1. Introducere Calculatorul este extrem de util în procesul de învăţământ deoarece simulează procese şi fenomene complexe pe care nici un alt mijloc didactic nu le poate pune atât de bine în evidenţă. Astfel, prin intermediul lui se oferă elevilor, modelari, justificări şi ilustrări ale conceptelor abstracte, ilustrări ale proceselor şi fenomenelor neobservabile sau greu observabile din diferite motive. Permite realizarea unor experimente imposibil de realizat practic datorită lipsei materialului didactic, a imposibilităţii de a studia şi a aborda realitatea sub forma în care ni se prezintă, a dotării necorespunzătoare a laboratoarelor şcolare sau a pericolului la care erau expuşi elevii şi profesorul. Elevii au posibilitatea să modifice foarte uşor condiţiile în care se desfăşoară experimentul virtual, îl pot repeta de un număr suficient de ori astfel încât să poată urmări modul în care se desfăşoară fenomenele studiate, pot extrage singuri concluziile, pot enunţa legi. Deşi efectuarea experimentelor reale este extrem de utilă deoarece aşa cum spunea un proverb chinez: o imagine înlocuieşte 1000 de cuvinte, pregătirea şi realizarea acestora consumă timp şi material didactic. De asemenea se folosesc tot mai mult modelele. Modelul este un sistem de obiecte, materiale sau abstracte, pus într-o corespondenţă determinată cu un alt sistem dat anterior. El este o copie a realităţii care rezultă din încercarea de a surprinde esenţialul originalului. Principalele tipuri de modele sunt : Modelul ideal nu are o existenţă concretă, el este un sistem de obiecte abstracte utilizat numai în teorie. Evoluţia sa poate fi descrisă matematic tocmai datorita acestei idealizări. 213
214 Facultatea de Matematică şi Informatică, Bucureşti Modelul analogic este un sistem de obiecte materiale deosebite că natura fizică sau ca formă geometrica de original, dar care are aceleaşi proprietăţi cu ale lui. Modelul similar reproduce originalul şi ca formă geometrică şi ca natură fizică însă toate dimensiunile lui sunt la altă scară. El rezultă din extinderea asemănării geometrice asupra altor mărimi cinematice, dinamice sau de altă natură. Acest model este numit de obicei machetă. Acest model este realizat în scopul aducerii obiectului dat la dimensiuni comparabile cu ale laboratorului în care i se studiază comportarea. Modelele îndeplinesc fie funcţii demonstrative, fie funcţii euristice (explorativexplicative), ajutându-i pe elevi să realizeze experimente reale, virtuale sau mintale, să întreprindă un efort de investigaţie teoretică până când ajung la aflarea unor noi adevăruri. Construirea, mânuirea şi interpretarea unui model aruncă o rază de lumină explicativă asupra originalului, deschide o parte de acces la esenţialitate, permite gândirii să avanseze în direcţia unei probleme de cunoaştere, de acţiune. 2. Consideraţii metodologice Fizica joacă un rol important în dezvoltarea tehnicii. Pentru a demonstra elevilor că fizica este prezentă pretutindeni în jurul nostru, ca este indispensabilă în viaţa de zi cu zi, trebuie ca aceştia sa descopere că învăţarea fizicii este o sursă de încântare şi pasiune! Pentru a realiza acest lucru trebuie modificat modul de gândire şi stilul de lucru la clasa al profesorilor, cristalizate în secole de învăţământ tradiţional, prea puţin preocupat de personalitatea şi de posibilităţile elevului. Trebuiesc realizate lecţii atractive care să permită elevului o înţelegere mai bună a materiei într-un timp mai scurt. Astfel motorul Otto se studiază cu ajutorul unei simulări realizate cu Macromedia Flash MX Professional. Elevul află ce este un motor termic, care este structura motorului Otto şi modul de funcţionare. De asemenea învaţă să calculeze randamentul motorului studiat. După înţelegerea lecţiei elevul va aplica în situaţii noi noţiunile învăţate. Un motor termic este un sistem fizic care exercita forte ce efectuează lucru mecanic atunci când primeşte căldura. Căldura pe care motoarele termice o transformă parţial în lucru mecanic, se obţine prin arderea în motor a unui combustibil (cărbune, păcura, benzina, motorina, hidrogen). Această căldura este transmisa substanţei de lucru (aer, abur, gaze de ardere) care îşi măreşte presiunea şi apăsa pe pistonul mobil al unui cilindru (sau o paletă în cazul turbinelor) punându-l în mişcare. Se produce astfel lucru mecanic. In funcţie de locul în care se produce arderea combustibilului (în exteriorul cilindrului cu piston mobil sau în interiorul acestuia) motoarele termice se împart în două grupe : motoare termice cu ardere externa (locomotiva cu aburi, turbina cu aburi) şi motoare termice cu ardere interna (motorul Otto, motorul Diesel, motorul cu reacţie). Motorul Otto este denumit astfel după numele inventatorului sau Nikolaus August Otto. Motorul Otto foloseşte drept combustibil vapori de benzină amestecaţi cu aer. Acest motor este folosit la majoritatea automobilelor. Este un motor cu aprindere prin scânteie. Camera de ardere este formata dintr-un cilindru închis la un capăt şi un piston care alunecă de sus în jos. Printr-un sistem biela manivela pistonul este legat de un arbore cotit care transmite lucrul mecanic spre exterior (de obicei cu ajutorul unei cutii de 214
Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a IV-a, 2006 215 viteze). Rolul arborelui cotit este acela de a transforma mişcarea de du-te vino a pistonului în mişcare de rotaţie. Un motor poate avea de la 1 până la 28 de cilindri (pistoane) care pot fi aşezate în linie sau în V. Sistemul de alimentare cu combustibil consta dintr-un rezervor, o pompă şi un sistem pentru vaporizarea combustibilului care la motorul Otto poate fi un carburator. Aerul din amestecul carburant precum şi gazele evacuate sunt gestionate de supape acţionate mecanic de un ax cu came. Sistemul de aprindere a combustibilului la motorul Otto este o bujie. Conform principiului al doilea al termodinamicii un motor trebuie să cedeze căldura; în general acest lucru este realizat în două moduri, prin evacuarea gazelor rezultate din arderea carburantului şi prin folosirea unui radiator. În timpul deplasării unui vehicul echipat cu un motor cu ardere internă simplă se generează un flux de aer rece suficient pentru a asigura menţinerea temperaturii motorului în limite acceptabile dar pentru ca motorul să poată funcţiona şi când vehiculul stă, radiatorul este echipat cu unul sau mai multe ventilatoare. De asemenea se mai folosesc şi sisteme de răcire cu apă mai ales pentru bărci. Motoarele Otto e au vitezele arborilor cotiţi de circa 2500-5000 rpm. Ele au rate de compresie intre 8 la 1 şi 10 la 1. Figura 1. Motorul Otto şi Nikolaus August Otto Succesiunea de transformări la care participă substanţa de lucru reprezintă ciclul de funcţionare al motorului, iar perioada corespunzătoare deplasării pistonului, de la un capăt la celălalt al cilindrului poartă denumirea de timp. Motorul Otto este un motor în patru timpi, iar ciclul de funcţionare este format din doua adiabate şi doua izocore. Timpul 1 Aspiraţia Pistonul coboară în cilindru. In momentul începerii acestei mişcări, supapa de admisie se deschide si, datorită depresiunii care se formează, amestecul de vapori de benzină şi aer, format în carburator, este absorbit în cilindru la presiune constantă. Aspiraţia amestecului are loc în tot intervalul de timp în care pistonul se mişcă de la punctul mort superior la punctul mort inferior. 215
216 Facultatea de Matematică şi Informatică, Bucureşti Figura 2. Timpul 1 Aspiraţia Timpul 2 Compresia In momentul în care pistonul a ajuns la punctul mort inferior, ambele supape se închid, iar pistonul se mişcă spre punctul superior comprimând amestecul carburant. Presiunea creşte. Deoarece mişcarea pistonului este rapidă, comprimarea este adiabatică. Figura 3. Timpul 2 Compresia 216
Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a IV-a, 2006 217 Timpul 3 Aprinderea şi detenta La sfârşitul compresiei, când pistonul a ajuns în punctul mort superior şi ambele supape sunt închise, se produce o scânteie electrică între electrozii bujiei. Scânteia aprinde amestecul carburant, care începe să ardă progresiv în toată masa lui. Temperatura gazelor rezultate prin ardere creste brusc la circa 20000C, iar presiunea la aproximativ 25 atm. Datorită inerţiei, pistonul nu este pus imediat în mişcare, astfel că acest proces al substanţei de lucru este izocor. In timpul arderii combustibilului se degajă căldura pe care o primeşte motorul. Gazele produc o forţă mare de apăsare asupra pistonului şi îl împing în jos spre punctul mort inferior, efectuând lucru mecanic. Pe măsură ce pistonul coboară, gazele se destind (are loc detenta gazelor). Destinderea gazelor este adiabatică. Când pistonul ajunge aproape de punctul mort inferior se deschide supapa de evacuare, care face legătura între cilindru şi aerul exterior. Presiunea scade brusc, până la valoarea presiunii atmosferice într-un proces izocor. In acest proces se cedează în exterior căldura. Deoarece numai în acest timp se efectuează lucru mecanic se mai numeşte şi timp motor. 217
218 Facultatea de Matematică şi Informatică, Bucureşti Figura 4 şi 5. Timpul 3 Aprinderea şi detenta Timpul 4 Evacuarea Supapa de evacuare este deschisă. Pistonul se mişcă din punctul mort inferior spre punctul mort superior şi împinge afară în atmosfera, la presiune constanta gazele arse şi destinse. Când pistonul ajunge în punctul mort superior, motorul reîncepe un alt ciclu. Figura 6. Timpul 4 Evacuarea 218
Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a IV-a, 2006 219 Randamentul unui motor termic este mărimea fizică numeric egală cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat şi căldura rezultatăa prin arderea combustibilului. L Q1 Q2 Q2 η = = = 1 Q1 Q1 Q1, unde Q 1 este căldura primită de motor prin arderea combustibilului, iar Q 2 este căldura cedata în exterior. Raportul de compresie al V1 motorului este = ε ; γ este exponentul adiabatic. V2 Transformarea Legea Caldura schimbata 1-2 γ 1 γ 1 T 1V1 = T2V2 Q = 12 0 2-3 p 2 p3 Q = 23 = ν CV ( T3 T2 ) > 0 T T 2 3 γ 1 3V 2 = 4 3-4 γ 1 T T V Q 0 4-1 4 1 1 34 = p 4 p1 Q ( ) 0 = 41 = ν CV T1 T4 < T T Q1 =ν Cv ( T3 T2 ) ; Q2 =ν Cv ( T4 T1 ) ; T4 1 Q41 T4 T1 T1 T1 η = 1 = 1 = 1 ; Q23 T3 T T 2 T2 3 1 T2 T2 1 dar = ε γ γ 1 T3 V4 γ 1 γ 1 ; T 2 = T1ε şi = ( ) ; V 4 =V 1 ; V 3 =V 2 deci T 3 = T4ε rezultă T1 T4 V3 1 că randamentul motorului Otto se poate calcula din următoarea relaţie: η = 1. γ 1 ε Randamentul este o mărime adimensională şi subunitară. Randamentul unui motor cu aprindere prin scânteie este de aproximativ 25%. Printr-un reglaj defectuos al 219
220 Facultatea de Matematică şi Informatică, Bucureşti carburatorului (dispozitivul care realizează amestecul carburant) se produce o ardere incompletă a amestecului carburant astfel încât se diminuează randamentul motorului. 3. Concluzii Abordarea în această manieră a studiului motorului Otto a determinat o creştere a nivelului de cunoştinţe al elevilor în domeniul fizicii, lucru reflectat de rezultatele obţinute la diferite concursuri şcolare, dar şi de schimbarea în bine a atitudinii elevilor faţă de scoală, fata de studiu, faţă de valorile morale, culturale, ştiinţifice ale societăţii. Bibliografie [1] Miron Ionescu, Ioan Radu, Didactica moderna, Editura Dacia, Cluj Napoca, 2004 [2] Anghel Sorin, Iorga Siman Ion, Malinovschi Viorel, Stanescu Costel, Metodica predării fizicii, Editura Arg Tempus, Pitesti, 1995 [3] Constantin Mantea, Fizica, Editura All, Bucureşti, 2003 [4] http://www.google.com/ [5] http://www.yahoo.com/ 220