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

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?

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 ...)

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.