Seguro que en algún momento de tu vida has viajado dentro de un coche, un avión o un tren de vapor. ¿Te has preguntado qué proceso hace que estos vehículos se muevan? La respuesta es: las máquinas térmicas. En termodinámica, una máquina térmica es un sistema que convierte el flujo de energía térmica (calor) en trabajo mecánico.
- En esta explicación aprenderemos lo que es una máquina térmica.
- También veremos algunos ejemplos y tipos de máquinas térmicas.
- Finalmente, revisaremos algunas fórmulas para medir la eficacia de las máquinas térmicas.
¿Qué es una máquina térmica?
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en trabajo mecánico.
Sin las máquinas térmicas, muchas de las comodidades y tecnologías de nuestro mundo moderno serían imposibles.
El calor es la transferencia de energía térmica desde temperaturas más altas a más bajas. En las máquinas térmicas, esto se consigue haciendo que el calor fluya de un depósito caliente a un depósito frío.
Los motores de gasolina, los motores diésel, los motores a reacción y las turbinas de vapor son ejemplos de motores térmicos.
Fig. 1: Flujo de calor entre un depósito caliente y un depósito frío.
Increíblemente, la primera máquina térmica del que se tiene constancia fue inventada por Herón de Alejandría en el año 50 d. C., pero en aquella época solo se consideraba una novedad o un juguete.
No fue sino hasta la revolución industrial que los motores térmicos 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 el motor de combustión interna, que en muchos aspectos fue una mejora de la máquina de vapor.
Ejemplos de máquinas térmicas
Los ejemplos de máquinas térmicas se pueden encontrar desde hace siglos con el caso de la máquina de vapor de Herón. Sin embargo, no fue sino hasta el siglo pasado cuando estas se empezaron a utilizar seriamente con el advenimiento de las locomotoras. Hoy en día, estas son parte fundamental del funcionamiento de los motores modernos.
Máquina de vapor de Herón de Alejandría
Para entender los fundamentos del funcionamiento de una máquina de calor, puede ser una buena idea empezar por el principio y echar un vistazo a la primera máquina de vapor de Herón de Alejandría. Herón la denominó eolípila 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, que subía entonces por dos tubos hasta una esfera hueca situada en la parte superior, donde dos boquillas dobladas en la esfera permitían que el vapor saliera. El vapor expulsado generaba empuje, obligando a la esfera a girar. Todo el entorno externo, en este caso, actuaba como el depósito frío hacia el que fluía el calor.
Máquinas térmicas actuales
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, el cual se emplea para hacer girar una turbina.
Este es un ejemplo de máquina térmica, en el que la energía térmica se convierte en trabajo mecánico. La turbina que gira acciona un generador eléctrico que produce electricidad para nuestro uso.
El vapor se enfría, de nuevo, 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 se desplazará más rápido y, por tanto, impulsará la turbina con mayor rapidez; esto genera más electricidad.
En segundo lugar, al condensar el vapor en agua, podemos reutilizar esa agua para la caldera. Ambos puntos mejoran enormemente la eficiencia de la máquina térmica.
Las centrales geotérmicas funcionan de forma similar a las centrales de carbón. Sin embargo, aunque una central geotérmica es un motor térmico, no es un motor de combustión interna ni externa porque los fluidos geotérmicos calientes utilizados para calentar la caldera proceden directamente de la Tierra, y no de la quema de combustibles.
Tipos de máquinas térmicas
Los tipos de máquinas térmicas pueden clasificarse en dos: motor de combustión externa y motor de combustión interna.
Motor de combustión externa
El primero es el motor de combustión externa. En este tipo de motores, la combustión del combustible transfiere el calor a un líquido externo, que luego genera trabajo útil —por su movimiento— al expandirse.
Un ejemplo de ello es la máquina de vapor. En este caso, 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 hacer un trabajo mecánico útil para impulsar el motor.
Generalmente, el funcionamiento de un motor de combustión externa sigue los siguientes pasos:
- Combustión: El aire se expande al aumentar la temperatura. Este aumento en el volumen, aumenta la presión.
- Expansión: Ya que la presión aumenta, se activa un pistón que arrastra una manivela.
- Refrigeración: Este es el paso en el que el aire se traslada al depósito frío de la máquina, lo que disminuye la presión.
- Contracción: El aire se contrae y el pistón se eleva.
En un motor de combustión externa, el combustible se quema fuera del motor y la energía obtenida mediante la combustión del combustible se transporta al motor, con ayuda de un medio portador de calor —como el agua o un gas—.
- Las ventajas de un motor de combustión externa son que para su funcionamiento se puede utilizar cualquier combustible, no producen demasiada contaminación y, además, son económicos.
- Las desventajas son que generalmente este tipo de máquinas térmicas son muy grandes y funcionan con temperaturas muy elevadas, por lo que es un proceso peligroso.
Motor de combustión interna
En un motor de combustión interna, la quema 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.
Un motor de combustión interna, con el que probablemente estés más familiarizado, es el coche de gasolina. El motor de combustión interna del coche quema la gasolina directamente en 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 golpes de pistón para completar un ciclo completo del motor.
Generalmente, el funcionamiento de un motor de combustión interna sigue los siguientes pasos:
- En primer lugar, durante la carrera de admisión, la válvula de admisión se abre 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.
- A continuación, durante la carrera de encendido, una chispa eléctrica de la bujía enciende el combustible; esto hace que se expanda rápidamente y empuje el pistón hacia abajo.
- Por último, durante la carrera de escape, se abre la válvula de escape; esta permite que los gases expandidos de la combustión salgan y se repita el ciclo, de nuevo.
La expansión y el escape de las mezclas dentro de la cámara de combustión obligan a los pistones a moverse hacia arriba y hacia abajo. El movimiento de estos pistones unidos a bielas hace girar el cigüeñal. En última instancia, un sistema de engranajes en la cadena cinemática del coche impulsará las ruedas del vehículo y provocará su movimiento.
También existe el llamado motor térmico inverso. Los motores térmicos inversos utilizan trabajo mecánico para invertir el flujo de calor —en lugar de utilizar la energía térmica para producir trabajo útil—. El trabajo mecánico suele proceder de una fuente de energía externa, como la red eléctrica nacional. Los acondicionadores de aire y los frigoríficos son ejemplos habituales de motores térmicos inversos.
Imagina que el interior de tu frigorífico es el depósito de frío. El motor térmico inverso expulsa el calor del frigorífico mediante una bomba (trabajo mecánico).
Acá tienes una tabla de resumen de los tipos de máquinas térmicas.
| Tipo de máquina térmica | Descripción | Ejemplo |
| Motor de combustión externa | La quema del combustible transfiere el calor a un líquido externo, que luego genera trabajo útil —por su movimiento— al expandirse. | La máquina de vapor. En este caso, 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 hacer un trabajo mecánico útil para impulsar el motor. |
| Motor de combustión interna | La quema 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. | El coche de gasolina. El motor de combustión interna del coche quema la gasolina directamente en la cámara de combustión (depósito caliente). Parte de la energía de la combustión se convierte, entonces, en trabajo útil realizado. |
Tabla 1. Máquinas térmicas: Tipos.
Fórmulas de las máquinas térmicas
La energía y el combustible son recursos de primera calidad en nuestro mundo moderno, por eso 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.
Eficiencia de las máquinas térmicas
La eficiencia de una máquina térmica es la porción del calor suministrado que se transforma en trabajo mecánico.
Según la segunda ley de la termodinámica, ninguna máquina es \(100 \%\) eficiente. La eficiencia de un sistema viene dada por la siguiente ecuación:
\[\text{Eficiencia}=\dfrac{\text{Energ. total producida}}{\text{Energ. total suministrada}}\]
Con símbolos, podríamos escribir:
\[\mu=\dfrac{E_P}{E_S},\]
- Donde \(\mu\) es la eficiencia, sin unidades, y \(E_P\) y \(E_S\) son las energías producidas y suministradas respectivamente.
Utilizando los principios de la termodinámica, las máquinas térmicas se han diseñado para producir el menor desperdicio de energía posible. Las distintas máquinas térmicas tienen diferentes eficiencias en función de una serie de factores, como su tipo, diseño, fuente de combustible, etc. La energía se desperdicia debido al sonido no deseado producido por el motor, la fricción entre las piezas móviles y el calor residual que no se convierte en trabajo útil realizado.
Por ejemplo, para mejorar la eficiencia y reducir la fricción entre las piezas móviles de un motor, los ingenieros y mecánicos añaden lubricación. Además, se puede usar el aislamiento térmico para reducir la pérdida inútil de energía térmica de una máquina térmica en el entorno.
La eficiencia térmica de una máquina térmica viene dada por:
Eficiencia=Trabajo útil realizado por la máquina/Energía producida por una máquina que quema combustible.
- Con símbolos, podríamos escribir: μ=EP/ES,
- Donde μ es la eficiencia, sin unidades, y EP y ES son las energías producidas y suministradas, respectivamente.
Los motores de combustión interna son casi siempre más eficientes que los de combustión externa. En general, convertir 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:
\[\text{Motor de combustión interna más eficiente: Combustión de combustible}\rightarrow \text{trabajo mecánico útil}\]
\[\text{Motor de combustión externa menos eficiente: Combustión de combustible}\rightarrow \text{líquido calentado en el depósito} \rightarrow \text{trabajo mecánico útil}\].
La eficiencia potencial de cualquier motor térmico tiene un límite. El Teorema de Carnot establece que incluso un motor ideal y sin fricción no puede convertir cerca del \(100\%\) de su calor producido en trabajo útil. Los factores que limitan la eficiencia son las temperaturas a las que el calor entra en el motor y la temperatura del entorno en el que el motor expulsa su calor residual.
Veámoslo en los siguientes ejercicios:
Un motor térmico realiza \(6,3\,\, \mathrm{ kJ}\) de trabajo y \(19,9 \mathrm{kJ}\) de energía se pierden en el entorno. ¿Cuál es el rendimiento de este motor térmico, en porcentaje?
Solución:
La energía total producida por el motor es la suma del trabajo efectuado y la energía perdida en el entorno:
\[\begin{align} \text{Trabajo efectuado por el motor}+\text{Energ. residual}&=\text{Energ. producida por el motor} \\ 6,3\,\,\mathrm{kJ}+19,9\,\,\mathrm{kJ}&=26,2\,\,\mathrm{kJ} \end{align}\]
\[\text{Eficiencia}=\dfrac{6.3 \, \, \mathrm{kJ} }{26.2\,\, \mathrm{kJ}}=0,24 \cdot 100 \%=24 \%\]
Un motor de combustión interna tiene un rendimiento del \(42 \%\). Produce \(38 \, \, \mathrm{MJ}\) de energía a partir de la combustión de 1 litro de gasolina. ¿Cuánto trabajo útil se produce con 1 litro de combustible?
Solución:
Recordemos la ecuación de la eficiencia:
\[\text{Eficiencia}=\dfrac{\text{Trabajo útil realizado por la máquina}}{\text{Energ. producida por una máquina que quema combustible}}\]
El siguiente paso es despejar el trabajo útil de la ecuación anterior:
\[\text{Trabajo útil realizado por la máquina}=\text{Eficiencia}\cdot \text{Energ. producida por una máquina que quema combustible}\]
Ahora, vamos a convertir el porcentaje de eficiencia a forma decimal:
\[\text{Forma decimal}=\dfrac{\text{Porcentaje}}{100}=\dfrac{42\%}{100}=0,42\]
Finalmente, sustituimos en la ecuación para el trabajo útil:
\[\text{Trabajo útil realizado por la máquina}=0,42 \times 38\,\,\mathrm{MJ}=15,96\,\, \mathrm{MJ}\]
Máquinas térmicas - Puntos clave
- En termodinámica, un motor térmico convierte el flujo de energía térmica (calor) en trabajo mecánico útil.
- El calor fluye en un motor térmico debido a la diferencia de temperatura entre un depósito caliente y uno frío.
- En los motores de combustión externa, el fluido del depósito caliente se calienta mediante una fuente de combustible externa.
- El movimiento del fluido calentado puede utilizarse para producir trabajo útil. Un ejemplo de ello es la máquina de vapor.
- En los motores de combustión interna, la combustión del combustible se produce directamente en el interior del depósito caliente. Así, convierten directamente la energía térmica de la combustión en trabajo útil. Ejemplos de ello son el motor de gasolina o el motor diesel.
- En algunos motores térmicos, el entorno exterior puede actuar como depósito frío.
- Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre los depósitos caliente y frío, más rápido fluirá el calor entre ellos. De esta forma se genera, en última instancia, más trabajo mecánico útil.
- Los motores de combustión interna suelen ser más eficientes que los de combustión externa, ya que los motores de combustión externa tienen un paso adicional de transferencia de energía.
- El tipo de motor térmico, el diseño, la fuente de combustible y una serie de otros factores afectan a su eficiencia.
- La energía se desperdicia por el sonido no deseado, el calor residual y la fricción entre las partes móviles del motor térmico.
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