Thermodynamica en de verbrandingsmotor

Je staat stil bij een rood stoplicht, de motor bromt zachtjes, en je staat te popelen om zo snel mogelijk te rijden. Het licht springt op groen, je trapt het gaspedaal in en je auto schiet vooruit. Onder de motorkap volgen kleine explosies elkaar razendsnel op, en die zorgen ervoor dat meer dan duizend kilo staal vooruitgaat. Maar hoe kunnen een paar vonken en een beetje brandstof zo veel kracht opleveren? Daarvoor moeten we kijken naar de thermodynamica; wat is het precies, en hoe speelt het een rol in alles wat zich in die motor afspeelt?

Wat is thermodynamica?

Thermodynamica gaat over warmte, energie en de onderlinge omzettingen daarvan. Deze tak van de natuurkunde onderzoekt hoe energie wordt overgedragen of omgezet, bijvoorbeeld van chemische energie naar warmte, of van warmte naar beweging, en waar de grenzen van zulke omzettingen liggen. Drie hoofdwetten vormen de basis van dit vakgebied:

Eerste hoofdwet: Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, alleen omgezet van de ene vorm naar de andere. In een motor betekent dat bijvoorbeeld dat de chemische energie uit brandstof niet zomaar verdwijnt, maar wordt omgezet in onder andere beweging en warmte.

Tweede hoofdwet: Warmte stroomt vanzelf van warm naar koud, nooit andersom. Omgekeerde warmtestromen kosten altijd energie. Voor warmtemachines zoals een verbrandingsmotor betekent dit dat niet alle warmte omgezet kan worden in arbeid. Er gaat altijd een deel verloren als afvalwarmte naar de omgeving, wat beperking op het maximale rendement van zulke machines legt.

Derde hoofdwet: Hoe dichter een systeem bij het absolute nulpunt komt (0 Kelvin, oftewel -273,15 °C), hoe minder bewegingsvrijheid de deeltjes erin hebben. In de praktijk betekent dit dat het onmogelijk is om een systeem volledig tot het absolute nulpunt af te koelen, en dat sommige vormen van entropie (wanorde, chaos) altijd aanwezig blijven.

Thermodynamica vormt de basis voor het ontwerp van motoren, koelsystemen, energiecentrales en zelfs voor processen in ons eigen lichaam. Zonder thermodynamica is er geen stoomtrein, geen koelkast en zeker geen moderne auto.

Van brandstof naar beweging: de cyclus onder de motorkap

Binnen de thermodynamica bestaan verschillende cycli, waarvan de Ottocyclus een van de bekendste is. Deze beschrijft hoe een viertakt benzinemotor werkt: één volledige verbranding per vier “zuigerslagen”: inlaat, compressie, arbeid en uitlaat.

Inlaatslag: De zuiger beweegt naar beneden en de inlaatklep opent, waardoor een mengsel van lucht en benzinedamp de cilinder in wordt gezogen, net als bij het opentrekken van een injectiespuit. Aan het eind van de inlaatslag zit de cilinder vol brandbaar mengsel en sluit de inlaatklep.
Compressieslag: De zuiger beweegt omhoog terwijl alle kleppen gesloten zijn. Het lucht-brandstofmengsel wordt samengeperst tot een veel kleiner volume, en door die compressie nemen zowel de druk als de temperatuur van het gas sterk toe, precies zoals de ideale gaswet (pV = nRT) voorspelt. Als het volume kleiner wordt, moeten druk en temperatuur stijgen. In een dieselmotor wordt de lucht zelfs zó heet dat de brandstof vanzelf ontsteekt zodra die wordt ingespoten. In een benzinemotor is de temperatuur iets lager, maar nog steeds hoog genoeg om het mengsel klaar te maken voor de verbranding die volgt.

Arbeidsslag (expansie): Vlak voor het hoogste punt (TDC) ontsteekt de bougie het brandstof-luchmengsel. De verbranding verloopt in milliseconden en laat de druk oplopen tot tientallen bar, waardoor de hete gassen duwen de zuiger met kracht omlaag. Dit is het moment waarop chemische energie wordt omgezet in mechanische arbeid, en het is de enige slag die daadwerkelijk vermogen levert; de andere drie kosten energie. De drijfstang zet de zuigerbeweging om in rotatie van de krukas, die uiteindelijk de wielen aandrijft.

Uitlaatslag: De verbrande gassen hebben nu hun werk gedaan, en de uitlaatklep opent. Nu beweegt de zuiger omhoog en perst de hete gassen naar buiten, de uitlaat in. Tegelijk voert het koelsysteem warmte af om oververhitting te voorkomen. Dat lijkt verspilling, maar het is noodzakelijk: volgens de tweede hoofdwet moet elke motor warmte afstaan om opnieuw te kunnen werken. Daarom heeft elke verbrandingsmotor een heet deel (de cilinder) en een koud deel (de koeling en buitenlucht).

Met andere woorden, om jouw auto te laten rijden, zijn er vier slagen nodig om één keer kracht te leveren. Dat lijkt misschien inefficiënt, maar daarom hebben motoren meerdere cilinders. Terwijl de ene zuiger arbeid levert, zijn de andere bezig met inlaat, compressie of uitlaat, om zo de motor soepel te latendraaien.

Grenzen aan rendement

Nu we weten hoe de cyclus werkt, blijft één vraag over: hoe efficiënt is dit proces eigenlijk? Helaas is een verbrandingsmotor verre van perfect. Warmte kan nooit volledig worden omgezet in beweging, waardoor een groot deel van de energie in brandstof verloren gaat als restwarmte via het motorblok en de uitlaat.

Een moderne benzinemotor haalt meestal een rendement van zo’n 30 procent. Met andere woorden: van elke liter benzine wordt slechts een derde omgezet in nuttige arbeid. Diesel doet het iets beter, met 30 tot 40 procent, dankzij de hogere compressieverhouding. De rest van de energie verdwijnt onvermijdelijk als warmte, een gevolg van de natuurwetten.

Ingenieurs hebben dat energieverlies door de jaren heen proberen te beperken met slimme oplossingen zoals directe brandstofinjectie, turboladers en verbeterde verbrandingstechnieken. De meest efficiënte Formule 1-motoren halen tegenwoordig bijna 50 procent rendement, maar lopen daarmee al tegen de grenzen van wat thermodynamisch mogelijk is. De wetten van de thermodynamica leggen nu eenmaal vast dat niet alle warmte in nuttige arbeid kan worden omgezet. In de praktijk zorgen factoren zoals wrijving, warmtegeleiding en onvolledige verbranding voor extra verliezen.

Ter vergelijking: een elektromotor hoeft geen warmte te genereren om te werken, en haalt rendementen boven de 90 procent. De klassieke verbrandingsmotor zal altijd een deel van zijn energie verliezen aan warmte, want dat is simpelweg hoe de natuur werkt.

Thermodynamica overal om ons heen

Het voorbeeld van de verbrandingsmotor laat goed zien hoe thermodynamica in de praktijk werkt. Door slimme inzet van natuurkunde zetten we chemische energie uit brandstof via warmte om in beweging. Dat principe vormt al meer dan anderhalve eeuw de basis van onze transport- en energievoorziening. De eerste stoommachines in de 18e eeuw werkten volgens precies hetzelfde idee: water verhitten tot stoom, die stoom uit laten zetten tegen een zuiger of turbine en zo beweging opwekken. Ook toen bleek al dat er altijd restwarmte moest worden afgevoerd. De tweede hoofdwet gold toen net zo goed als nu.

Thermodynamica speelt niet alleen een rol in motoren en stoommachines. Ook apparaten zoals je koelkast werken volgens de thermodynamica, maar dan in omgekeerde richting. Een koelkast verbruikt arbeid (elektrische energie) om warmte van een koude plek (binnenin de koelkast) naar een warmere plek in de keuken te pompen. Dat lukt dankzij kennis over koelcycli en de faseovergangen van koelmiddelen. Hetzelfde principe vind je terug in airconditioners en warmtepompen. Zelfs in de natuur zie je het overal: het klimaat transporteert voortdurend warmte van de tropen naar de polen, en je eigen lichaam zet voeding om in energie om warm te blijven en te bewegen.

Thermodynamica is overal om ons heen. De wetten die Carnot en Clausius in de 19e eeuw beschreven, bepalen nog steeds hoe zuinig je auto rijdt, waarom een kop koffie afkoelt en waarom niets eeuwig energie kan blijven leveren. De kleine explosies onder je motorkap brengen de motor tot leven, en dankzij het samenspel van warmte, druk en beweging kom jij vooruit.

Dus de volgende keer dat je in de auto stapt en de motor start, weet je: dit is allemaal thermodynamica.

Robert Dilber

Bronnen: