Máquinas térmicas

¿Qué es una máquina térmica?

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.

Fig. 1: Flujo de calor entre un depósito caliente y un depósito frío.

Ejemplos de máquinas térmicas

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.

Sin embargo, el vapor se sigue utilizando ampliamente a escala industrial para producir electricidad.

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:

1. 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.

2. 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.

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.

Generalmente, el funcionamiento de un motor de combustión externa sigue los siguientes pasos:

1. Combustión: El aire se expande al aumentar la temperatura. Este aumento en el volumen, aumenta la presión.
2. Expansión: Ya que la presión aumenta, se activa un pistón que arrastra una manivela.
3. Refrigeración: Este es el paso en el que el aire se traslada al depósito frío de la máquina, lo que disminuye la presión.
4. 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.

Generalmente, el funcionamiento de un motor de combustión interna sigue los siguientes pasos:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.

Acá tienes una tabla de resumen de los tipos de máquinas térmicas.

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.

Eficiencia de las máquinas térmicas

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.

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=E_P/E_S,
  • Donde μ es la eficiencia, sin unidades, y E_P y E_S 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:

\[\text{Motor de combustión interna más eficiente: Combustión de combustible}\rightarrow \text{trabajo mecánico útil}\]

\[\text{Motor de combustión externa menos eficiente: Combustión de combustible}\rightarrow \text{líquido calentado en el depósito} \rightarrow \text{trabajo mecánico útil}\].

Veámoslo en los siguientes ejercicios: