Motores térmicos

Motores térmicos en termodinámica

El calor es la transferencia de energía térmica de temperaturas más altas a temperaturas más bajas . En los motores térmicos, esto se consigue haciendo que el calor fluya de un depósito caliente a otro frío. Los motores de gasolina, los motores diésel, los motores a reacción y las turbinas de vapor son ejemplos de motores térmicos.

Increíblemente, el primer motor térmico del que se tiene constancia fue inventado por Herón de Alejandría en el año 50 d.C., pero entonces sólo se consideraba una novedad o un juguete.Nofue hasta la revolución industrial cuando las máquinas de calor se convirtieron en dispositivos útiles. La máquina de vapor se hizo útil en el siglo XVIII y se utilizó rápidamente como fuente de energía. A finales del siglo XIX le siguió elmotor de combustión interna, que en muchos aspectos era una mejora de la máquina de vapor. Sin el motor térmico, muchas de las comodidades y tecnologías de nuestro mundo moderno serían imposibles.

Tipos de motores térmicos

Los motores térmicos pueden clasificarse en dos tipos. El primero es el motor de combustión externa, en el que la combustión del combustible transfiere calor a un líquido externo, que luego genera trabajo útil por su movimiento al expandirse. Un ejemplo es la máquina de vapor. Aquí, una fuente de combustible como el carbón o la madera se quema para calentar agua (líquido externo) en una caldera. Esto produce vapor que puede realizar un trabajo mecánico útil para accionar el motor.

En un motor de combustión interna, la combustión del combustible se produce dentro del sistema. Los motores de combustión interna suelen ser más eficaces que los de combustión externa, ya que convierten directamente la energía térmica del combustible en trabajo mecánico. Por ejemplo, el motor térmico de un coche enciende la gasolina o el gasóleo mediante una bujía para generar trabajo mecánico útil.

Ejemplos de motores térmicos

En este apartado trataremos algunos ejemplos de aplicaciones reales del motor térmico, desde la antigüedad hasta la era moderna, tanto para motores de combustión interna como externa.

Motor de combustión externa

Reconstrucción del eolípilo de Herón, wikimediacommons.org

Para comprender los fundamentos del funcionamiento de una máquina de vapor, quizá sea buena idea empezar por el principio y echar un vistazo alaprimera máquina de vapor de Herón de Alejandría. Herón la llamó aeolipile o bola de viento. El diseño era sencillo: colocó un caldero de agua (que actuaba como depósito caliente) sobre un fuego. Al calentarse, el agua hervía y se convertía en vapor. A continuación, el vapor ascendía por dos tubos hasta una esfera hueca situada en la parte superior, donde dos toberas dobladas en la esfera permitían que el vapor saliera. El vapor expulsado generaba empuje como un cohete, obligando a la esfera a girar. Todo el entorno exterior, en este caso, actuaba como el depósito frío hacia el que fluía el calor.

Una máquina de vapor victoriana.

Las locomotoras de vapor han quedado ampliamente obsoletas por la electricidad y el motor de combustión interna. Los trenes de vapor, por ejemplo, están ahora relegados al transporte patrimonial o a las atracciones turísticas. Sin embargo, el vapor se sigue utilizando ampliamente a escala industrial para producir electricidad. El agua se calienta a partir de una fuente de calor en una caldera (depósito caliente), que convierte el agua en vapor, que luego se utiliza para hacer girar una turbina a medida que sube. Éste es un ejemplo de motor térmico, en el que la energía térmica se convierte en trabajo mecánico. La turbina giratoria acciona entonces un generador eléctrico, que produce electricidad para nuestro uso.

Diagrama de una turbina de vapor típica utilizada para generar electricidad, commons.wikimedia.org

El vapor se vuelve a enfriar en agua dentro de un condensador (depósito frío) después de accionar la turbina. Esto es ventajoso por dos razones. En primer lugar, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre los depósitos caliente y frío (caldera y condensador), más rápido fluirá el calor entre ellos. Esto significa que el vapor viajará más deprisa y, por tanto, impulsará la turbina más deprisa, generando más electricidad. En segundo lugar, al condensar el vapor de nuevo en agua, podemos reutilizar esa agua para la caldera. Ambos puntos mejoran enormemente la eficacia de la máquina de calor.

Motor de combustión interna

Hablemosdel motor de combustión interna con el que probablemente estés más familiarizado: el coche de gasolina. El motor de combustión interna del coche quema la gasolina directamente dentro de la cámara de combustión (depósito caliente). Parte de la energía de la combustión se convierte entonces en trabajo útil realizado. La mayoría de los motores de gasolina son motores de cuatro tiempos, lo que significa que se necesitan cuatro carreras del pistón para completar un ciclo completo del motor.

El ciclo de cuatro tiempos de un motor de combustión interna, commons.wikimedia.org

En primer lugar, durante la carrera de admisión, se abre la válvula de admisión para permitir que el combustible y el aire del depósito entren en el cilindro de trabajo. El siguiente paso del proceso es la carrera de compresión. Ambas válvulas se cierran para atrapar la mezcla de aire y combustible en su interior, y el pistón se mueve hacia arriba para comprimir la mezcla en un pequeño volumen. Después, durante la carrera de encendido, una chispa eléctrica de la bujía enciende el combustible, haciendo que se expanda rápidamente y empujando el pistón de nuevo hacia abajo. Por último, durante la carrera de escape, se abre la válvula de escape, lo que permite que salgan los gases expandidos de la combustión y se repita de nuevo el ciclo.

La expansión y el escape de las mezclas en el interior de la cámara de combustión obligan a los pistones a moverse hacia arriba y hacia abajo. El movimiento de estos pistones sujetos a bielas hace girar entonces el cigüeñal. En última instancia, un sistema de engranajes delacadena cinemática del coche accionará las ruedas del vehículo, provocando el movimiento.

Ecuación del motor térmico

La energía y el combustible son recursos de primera necesidad en nuestro mundo moderno, y debemos encontrar formas de reducir el consumo de energía tanto como sea razonablemente posible. Cuando se produce una transferencia de energía entre almacenes energéticos (como la energía térmica a cinética en un motor térmico), no toda la energía producida se transfiere a energía útil. Cuando la energía se transfiere a un almacén no deseado, se denomina energía residual.

La eficiencia de un sistema viene dada por la siguiente ecuación:

$\text{Efficiency}=\frac{\text{Total useful energy produced}}{\text{Total energy supplied}}$

Utilizando los principios de la termodinámica, los motores térmicos se han diseñado para producir el menor desperdicio de energía posible. Los distintos motores térmicos tienen eficiencias diferentes en función de una serie de factores, como su tipo, diseño, fuente de combustible, etc. La energía se desperdicia debido al sonido no deseado que produce el motor, a la fricción entre las piezas móviles y al calor residual quenose convierte en trabajo útil realizado.

La eficiencia de un motor térmico, adaptado de la imagen de Guy Vandegrift CC BY-SA 4.0

El rendimiento térmico de un motor térmico viene dado por:

$\text{Efficiency}=\frac{\text{Useful Work Done by the Engine}}{\text{Energy produced by Engine burning Fuel}}$

Los motores de combustión interna son casi siempre más eficientes que los de combustión externa. En general, transformar el combustible directamente en trabajo mecánico es un proceso más eficiente, porque los motores de combustión externa tienen un paso extra de transferencia de energía, que siempre acaba teniendo más ineficiencias.