Un motore termico è un dispositivo utilizzato per convertire l’energia termica, o calore, in lavoro meccanico. Ciò avviene quando il calore, proveniente da una sorgente calda, passa attraverso il motore stesso ed entra in un dissipatore freddo. Il dissipatore freddo è la parte a temperatura più bassa 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 proprio ciclo specifico. Alcuni esempi di motori termici includono motori a vapore ea combustione interna, motori Stirling e turbine a gas.
Comunemente, un motore termico verrà confuso con il ciclo termodinamico che si svolge all’interno del motore stesso. Ciò è principalmente dovuto al fatto che i motori termici sono spesso classificati in base ai loro cicli termodinamici specifici. Il dispositivo stesso che converte l’energia termica in lavoro è noto come “motore”, mentre il modello termodinamico applicato al motore è il “ciclo”. Per questo motivo, i motori a vapore non sono indicati come motori Rankine.
Un motore termico efficiente cercherà di imitare il suo rispettivo ciclo nel miglior modo possibile. Maggiore è la differenza di temperatura tra la sorgente calda e il dissipatore 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 freddo 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 poi ricondensato in acqua attraverso un condensatore a bassa temperatura.
Più il condensatore è freddo, più vapore sarà condensato di nuovo in acqua. Questo perché i condensatori sono realizzati per invertire efficacemente il processo di saturazione effettuato dalla caldaia. Ciò contribuirà a raggiungere tassi di condensazione più elevati; più alto è il tasso, più acqua verrà restituita. Ciò contribuisce ad aumentare l’efficienza complessiva del ciclo del vapore.
Sebbene l’efficienza del motore termico possa essere altamente ottimizzata attraverso una grande differenza di temperatura tra la sorgente calda e il dissipatore freddo, è ancora limitata. Questo perché la temperatura del dissipatore freddo dipende dalla temperatura circostante, che in alcune situazioni non può essere raffreddata alle condizioni ideali. A causa di ciò, l’efficienza di un motore termico è limitata ai limiti di temperatura del dissipatore freddo. Una soluzione comune a questo è aumentare la temperatura della sorgente calda; tuttavia anche questo è limitato alla mancanza di resistenza del materiale alle alte temperature.
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 nelle grandi centrali elettriche, dove vengono utilizzate sia turbine a gas che turbine a vapore per generare elettricità.