Motores Térmicos

La mayor parte de la energía generada en una sociedad moderna proviene de la combustión de combustibles fósiles y de reacciones nucleares, son fuentes que convierten en calor la energía suministrada, estas fuentes caloríficas pueden ser utilizadas para la calefacción, para cocinar y en la realización de procesos químicos y metalúrgicos. Sin embargo, para mover una máquina o propulsar un vehículo se requiere energía mecánica. Esta a su ves, hace parte de diversos sistemas biológicos, pues la energía de las reacciones se convierte en energía mecánica de movimiento. Cualquier dispositivo que convierta calor en energía mecánica se denomina motor térmico.

En un motor térmico, cierta cantidad de materia experimenta diversos procesos térmicos y mecánicos, como la adición o sustracción de calor, expansión, comprensión y cambio de fase. Esta cierta cantidad de materia se denomina sustancia activa del motor. Un motor térmico se caracteriza por ser cíclico, es decir, la sustancia activa después de una serie de procesos vuelve a su estado inicial. Por ejemplo, el tipo de máquina de vapor con condensador utilizada en propulsión naval, la sustancia activa, en este caso es agua pura, la cual es utilizada una y otra vez. El agua se evapora en la caldera a alta presión y temperatura, realiza trabajo al expandirse contra un pistón o turbina, se condensa por refrigeración con agua del mar, y se bombea de nuevo a la caldera. Todos estos dispositivos térmicos absorben calor de una fuente a alta temperatura, realizan algún trabajo mecánico y ceden calor a una temperatura inferior. Al ser un proceso cíclico, la energía interna es igual a la final, en virtud de la primera ley de termodinámica tenemos:

En un proceso cíclico el flujo de calor neto suministrado al motor es igual al trabajo neto realizado por el mismo.

En el funcionamiento de un motor térmico hay siempre dos cuerpos capaces de suministrar o absorber grandes cantidades de calor sin cambios apreciables de temperatura, estos cuerpos son denominados foco caliente y foco frío (aunque las palabras caliente y frío son relativas). Representaremos por QH al calor transferido entre le foco cliente y la sustancia activa de un motor térmico, siendo QH positivo cuando la sustancia activa absorbe el calor. El foco frío, QC,  puede llegar a ser agua fría o el aire, este es utilizado para enfriar y condensar el vapor después de haber pasado por una turbina o pistón. En el caso de que la energía se transmita desde la sustancia activa al foco frío, QH es negativo.

En la siguiente figura representamos un diagrama de flujo. El motor se ha representado por un círculo. El foco caliente se encuentra en la parte superior y en la parte inferior está el foco frío. El tubo de la derecha representa la parte de calor suministrada al motor y que éste convierte en trabajo mecánico, W.

Imaginemos un motor térmico, sean QH y QC los calores absorbido y cedido por la sustancia activa. Al se cíclico el proceso, tenemos que el calor neto absorbido es

El trabajo neto W realizado por la sustancia activa es, en virtud de la primer ley,

El rendimiento térmico de un ciclo (e), se define como la razón del trabajo útil al calor absorbido.

El motor de mejor rendimiento es aquel en el que el tubo de la derecha, que representa el trabajo obtenido, es lo más ancho posible, mientras que le tubo de escape es lo más estrecho posible.

Motores de combustión interna.

Aquí la combustión se produce en una cámara interna del propio motor, donde se generan los gases que producen la expansión que causa el trabajo. En los motores de los automóviles se introduce en un cilindro una mezcla de vapor de gasolina y aire a través de una válvula de admisión durante la carrera descendente del pistón, aumentando el volumen del cilindro desde un valor máximo V hasta un valor mínimo RV. R se denomina relación de comprensión, y en los motores modernos tiene un valor de 8. Al final de la carrera de admisión, la válvula de admisión se cierra y la mezcla se comprime hasta un volumen V durante la carrera de comprensión. Mediante la chispa de bujía (es donde se produce la chispa eléctrica que inflama la mezcla explosiva comprimida) la mezcla se infama y realiza trabajo empujando el pistón, hasta un volumen RV, esta es la carrera de trabajo o de explosión. Finalmente la válvula de escape se abre y los productos de la combustión, en la carrera de escape, salen despedidos, quedando el cilindro preparado para la siguiente carrera de admisión. El movimiento de los pistones de un motor a combustión interna funcionan mediante el método expuesto, el cual denominaremos motor de cuatro tiempos, pues se necesitan de cuatro etapas para desarrollar el ciclo completo: admisión, comprensión, expansión y escape.

Ciclos de funcionamiento de un motor de combustión interna.

Ciclo Otto.

En un cilindro con dos válvulas, una de admisión y otra de escape. En el centro del cilindro se ubica la bujía, la cual es la encargada de generar una chispa de corriente eléctrica. Dentro del cilindro se ubica el pistón que va unido a la biela por su parte inferior, el movimiento en conjunto de ambos elementos permite transformar el movimiento rectilíneo en circular, dando así vueltas al cigueñal, representado por el circulo. El punto muerto inferior es el punto más bajo que alcanza el pistón  y el punto muerto superior es el punto más alto al que llega el pistón, se denomina carrera al recorrido hecho por el pistón para ir del punto muerto superior al punto muerto inferior. Cada tiempo requiere una carrera, es decir, en un ciclo de cuatro tiempos el pistón sube dos veces y baja otras dos, generando así dos vueltas completas del cigueñal.

TIEMPO 1 (ADMISIÓN): En la admisión el pistón baja y succiona agua y gasolina, lo que denominamos sustancia activa.

TIEMPO 2 (COMPRESIÓN): El pistón al subir de nuevo comprime la mezcla, realizando así el ciclo de compresión.

 TIEMPO 3 (EXPLOSIÓN): La bujía genera una chispa que inflama la mezcla, haciendo que el pistón vuelva a bajar, esto se realiza antes de llegar al punto muerto inferior.

TIEMPO 4 (ESCAPE): Cuando el cilindro vuelve a subir, la válvula de escape se abre, dejando salir los gases quemados.

Los procesos de admisión y escape coinciden, de tal manera que el pistón permanece en continuo movimiento.

Ciclo Diesel.

Este ciclo se basa en el ciclo de Otto, la diferencia es que se inyecta combustible al pistón una ves realizada la combustión, es decir, reemplaza a la bujía por combustible el cual se habrá comprimido tanto como para alcanzar una alta temperatura y así empujando el pistón nuevamente hacia abajo. Además se reemplaza la mezcla de combustible y aire por solo aire.

Motor de combustión externa.

Es una máquina que por medio de calor realiza un trabajo mecánico, mediante un proceso de combustión que se hace fuera del motor, generalmente para hervir agua que luego será utilizado como fuente de movimiento mecánico.El mejor ejemplo de este motor sería la máquina de vapor.

El frigorífico.

Un frigorífico puede ser considerado como un motor térmico que funciona en sentido inverso, es decir, toma el calor de un foco frío, el compresor realiza trabajo mecánico y el calor se expulsa a un foco caliente. El principio de funcionamiento de esta máquina es el proceso de estrangulación.

Esquemáticamente su funcionamiento se muestra en la siguiente figura. El compresor A proporciona un gas, generalmente de la familia de los freones, refrigerantes, a altas temperaturas y presiones a los serpentines de B. En B, mediante refrigerantes como el agua o el aire se elimina el calor del gas, sin embargo se mantiene a una presión alta, ocasionando una condensación del gas convirtiéndolo en líquido. El líquido pasa por la válvula de estrangulación C, saliendo en forma de una mezcla de líquido y vapor a temperaturas más bajas, debido al descenso de la presión en D. En los serpentines de D se suministra calor, que convierte el líquido restante en vapor que entra al compresor A para repetir el ciclo.