Por que os gases de combustão da câmara de combustão ligam o motor quando ele queima apenas?

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Eu perguntei isso porque se eu tiver uma pequena porção de combustível fóssil e acendê-lo, o combustível só queimará. Mas dentro de uma câmara de combustão de um veículo, essa mesma combustão impulsionará o pistão para baixo, mantendo o veículo em movimento; porque?

LostPecti
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LostPecti: edite se minhas alterações não capturarem sua intenção.
Fred Wilson
Não, você capturou minha pergunta perfeitamente. Obrigado pela ajuda.
LostPecti
O principal é que você está transformando o combustível em uma névoa fina. Se você acender uma poça, ela queimará lentamente, se você a atomizar e acender a nuvem, ela explodirá. Praticamente tudo é perigoso quando é pequeno o suficiente e em quantidades suficientemente altas misturadas ao ar. Basta pesquisar no Google sobre explosões de moinhos de farinha, mesmo a farinha é explosiva quando misturada bem com o ar, tornando os moinhos de farinha super perigosos. Nós o comprimimos para que haja ainda mais oxigênio em torno da substância que queremos queimar. Junte-os e você terá a força explosiva.
Trotski94

Respostas:

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Durante a combustão, a pressão na câmara de combustão é aumentada e essa pressão empurra o pistão. Há duas razões para isso:

Aumento da quantidade de moléculas de gás

Digamos que usamos hexano como combustível. Para queimar uma molécula de hexano composta por 6 átomos de carbono e 14 átomos de hidrogênio, precisamos de 13 átomos de oxigênio (6,5 moléculas de oxigênio) e obter 7 moléculas de água e 6 moléculas de carbondóxido:

 1* Hexan           + 6.5* oxygen -> 7* water  + 6* carbondioxide

     H H H H H H
     | | | | | |
1* H-C-C-C-C-C-C-H  + 6.5* O-O    ->  7* H-O-H + 6* O-C-O
     | | | | | |
     H H H H H H

Como o ar consiste em apenas 20% de oxigênio e 80% de nitrogênio, existem quatro moléculas de nitrogênio para cada molécula de oxigênio na câmara. Eles não devem reagir durante a combustão, então você simplesmente adiciona 26 moléculas de nitrogênio nos dois lados.

Portanto, antes da combustão, existem 1 + 6,5 + 26 = 33,5 moléculas e, depois, 7 + 6 + 26 = 39 moléculas.

Um fato interessante sobre os gases (ideais) é que um certo volume a uma certa temperatura e pressão sempre contém a mesma quantidade de moléculas, independentemente de qual tipo ou mistura de moléculas.

Digamos que ainda temos o mesmo volume na câmara de combustão e negligenciamos o aumento da temperatura, o aumento do número de moléculas por um fator de 39 / 33,5 = 1,16 resulta em um aumento de pressão por um fator de 1,16 também.

Expansão de calor

Se você aumentar a temperatura de um gás, ele se expandirá. Se não puder, porque está fechado na câmara de combustão, a pressão aumenta. Por exemplo, qualquer volume (constante) de gás ideal à temperatura ambiente (20 ° C) aumenta sua pressão em um fator de 4,3 quando aquecido a 1000 ° C.

Todos juntos

Durante a combustão, a pressão aumenta em um fator de 1,16 à medida que o número de moléculas aumenta, e outro fator de 4,3 devido à temperatura, levando a um fator total de 5 no aumento da pressão. Digamos que a câmara de combustão possua um pistão de 8 cm de diâmetro (furo típico), o que corresponde a uma superfície de 50 cm². Uma pressão de 5000 hPa (diferença da pressão ambiental de 1013 hPa) aplica uma força de 2500N (ou 560 lbf) no pistão e empurra-o para baixo.

O que eu não disse aqui é que um motor real primeiro comprime a mistura ar / combustível por um fator de cerca de 14, o que aumenta a temperatura e a pressão no cilindro. (Investe energia aqui, mas recupera após a combustão) Além disso, não sei qual temperatura é atingida durante a combustão.

Além disso, este é um cálculo muito básico, negligenciando alguns efeitos, mas acho que mostra claramente como a força no pistão é criada.

Ah, e se você acender um pouco de combustível em uma lixeira fechada, também notará um aumento na pressão. Mas como o processo é bastante lento, a maior parte do calor sai da lixeira, não fica tão quente e a pressão não é tão alta. (Mas tenha cuidado: os vapores de combustível podem explodir e você tem alta pressão ...)

sweber
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Ótima resposta. Eu posso adicionar alguns comentários aqui. A temperatura do coletor de escape pode atingir 1.200 a 1.600 F. A taxa de pressão antes e depois da combustão é geralmente modelada pelos engenheiros automotivos como "taxa de explosão". Dessa forma, eles não têm que se preocupar muito com a química por trás das cenas
Zaid
Primeiro obrigado por sua resposta detalhada. Deixe-me ver se eu entendo. A idéia de um combustível é fazer pressão suficiente para empurrar o pistão para baixo. Faz isso usando dois métodos. O primeiro é usar moléculas, quanto mais moléculas adicionam, mais pressão no cilindro. O outro método é usar calor, pois sabemos que o gás tem átomos e pode expandir-se melhor do que átomos sólidos ou líquidos. Quando os átomos no gás são aquecidos, eles se expandem, causando ainda mais pressão. Assim, em todas as câmaras de combustão dependem de alta quantidade de pressão. Tenho uma pergunta: por que o ar / poucos precisam ser comprimidos primeiro?
LostPecti
@LostPecti Acho que sua pergunta é ótima. Sua outra pergunta no seu comentário "Por que o ar / combustível precisa ser comprimido?" é outra pergunta. Você deveria perguntar. :-) Felicidades!
DucatiKiller 21/04
@LostPecti: Bem, átomos / moléculas não se expandem, são mais como pequenos boxeadores que mantêm seus vizinhos à distância dando um soco neles. O calor é sua droga (-> mais força, mais distância, mais espaço necessário para todos os boxeadores) e, é claro, mais boxeadores querem mais espaço. O pistão também leva muitos socos, o que o força. (Hmm, deveria ter colocado isso na resposta ...). Mas você está certo, a idéia de um motor de pistão usando combustível é gerar pressão dentro do cilindro para empurrar o pistão para baixo. Os motores a vapor geram pressão externa e a levam para o cilindro.
sweber
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AFAIK, da maneira como funciona quando você queima o combustível, está em estado líquido à pressão atmosférica. Na realidade, você não está queimando o líquido, está queimando os vapores que se formam sobre o líquido.

Quando no motor, o combustível é liberado em gotículas, o que cria muita área de superfície para expelir o vapor. O que a ECU faz é criar uma mistura muito específica desse combustível, vapor e ar, necessária para criar a queima de alta energia que faz o motor girar.

Sem essa proporção muito específica, você não recebe a queima mais enérgica. A química por trás disso é que eu não sei.

Espero que ajude.

cdunn
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