¿Por qué los gases de combustión de la cámara de combustión hacen girar el motor cuando solo se quema?

Pregunté esto porque si tengo una pequeña porción de combustible fósil y lo enciendo, el combustible solo se quemará. Pero dentro de una cámara de combustión de un vehículo, esta misma combustión impulsará el pistón hacia abajo manteniendo el vehículo en movimiento; ¿por qué?

Durante la combustión, la presión en la cámara de combustión aumenta, y esta presión empuja hacia abajo el pistón. Hay dos razones para esto:

Aumento de la cantidad de moléculas de gas.

Digamos que usamos hexano como combustible. Para quemar una molécula de hexano que consta de 6 átomos de carbono y 14 de hidrógeno, necesitamos 13 átomos de oxígeno (6.5 moléculas de oxígeno) y obtener 7 moléculas de agua y 6 moléculas de dióxido de carbono:

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

     H H H H H H
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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

Debido a que el aire consiste en solo 20% de oxígeno y 80% de nitrógeno, hay cuatro moléculas de nitrógeno para cada molécula de oxígeno en la cámara. Ellos hacen no deberían reaccionar durante la combustión, por lo que sólo tiene que añadir 26 moléculas de nitrógeno en ambos lados.

Entonces, antes de la combustión, hay 1 + 6.5 + 26 = 33.5 moléculas y después, hay 7 + 6 + 26 = 39 moléculas.

Un hecho interesante sobre los gases (ideales) es que un cierto volumen a cierta temperatura y presión siempre contiene la misma cantidad de moléculas, independientemente de qué tipo o mezcla de moléculas.

Digamos que todavía tenemos el mismo volumen en la cámara de combustión y descuidamos el aumento de temperatura, el aumento del número de moléculas en un factor de 39 / 33.5 = 1.16 resulta en un aumento de la presión en un factor de 1.16 también.

Expansión de calor

Si aumenta la temperatura de un gas, se expandiría. Si no puede porque está encerrado en la cámara de combustión, la presión aumenta en su lugar. Por ejemplo, cualquier volumen (constante) de gas ideal a temperatura ambiente (20 ° C) aumenta su presión en un factor de 4.3 cuando se calienta a 1000 ° C.

Todos juntos

Durante la combustión, la presión aumenta en un factor de 1.16 a medida que aumenta el número de moléculas, y otro factor de 4.3 debido a la temperatura, lo que lleva a un factor total de 5 en el aumento de la presión. Digamos que la cámara de combustión tiene un pistón de 8 cm de diámetro (diámetro típico), que corresponde a una superficie de 50 cm². Una presión de 5000 hPa (diferencia con la presión ambiental de 1013 hPa) aplicará una fuerza de 2500 N (o 560 lbf) sobre el pistón y lo empujará hacia abajo.

Lo que no dije aquí es que un motor real comprime primero la mezcla de aire / combustible por un factor de aproximadamente 14, lo que aumenta la temperatura y la presión en el cilindro. (Invierte energía aquí, pero la recupera después de la combustión) Además, no sé qué temperatura se alcanza durante la combustión.

Además, este es un cálculo muy básico que descuida algunos efectos, pero creo que muestra claramente cómo se crea la fuerza sobre el pistón.

Ah, y si enciende un poco de combustible en un contenedor cerrado, también notará un aumento de la presión. Pero como el proceso es bastante lento, la mayor parte del calor sale del depósito, no se calienta tanto y la presión no es tan alta. (Pero tenga cuidado: los vapores de combustible pueden explotar, y luego tiene la alta presión ...)

ASÍ COMO la forma en que funciona cuando se quema el combustible, lo tiene en estado líquido a presión atmosférica. En realidad no estás quemando el líquido, estás quemando los vapores que se forman sobre el líquido.

Cuando está en el motor, el combustible se desembolsa en gotitas, lo que crea una gran superficie para que el combustible expulse el vapor. Lo que hace la ECU es crear una mezcla muy específica de este combustible, vapor y aire que se necesita para crear la quema de alta energía que hace que el motor gire.

Sin esa proporción muy específica, no obtienes la quemadura más energética. La química detrás de por qué es eso no lo sé.

Espero que eso ayude.