MÁQUINAS TÉRMICAS

La sociedad actual basa su desarrollo en la capacidad que tiene de usar las fuentes de energía de a manera más eficiente. Por lo tanto hoy, ante el cambio climático, el desarrollo de motores más eficientes y que utilicen energías renovables es cada vez más una necesidad.

Un dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o energía mecánica es una máquina térmica. Por lo regular, una cantidad de materia dentro del motor experimenta entrada y salida de calor, expansión y comprensión, y a veces cambia de fase. Llamamos a esta la sustancia de trabajo de la máquina.

En los motores de combustión interna, la sustancia de trabajo es una mezcla de aire y combustible; en una turbina de vapor, es el agua. El tipo de máquina más fácil de analizar es aquel donde la sustancia de trabajo efectúa un proceso cíclico, es decir, una sucesión de procesos que al final deja la sustancia en el estado que inició. En una turbina de vapor, el agua se recicla usándose una y otra vez.

Los motores de combustión interna no utilizan el mismo aire una y otra vez, pero de todos modos podemos analizarlos en términos de procesos cíclicos que aproximan su funcionamiento real.

Todas las máquinas funcionan con una fuente de calor y otra que está a menor temperatura, llamada fuente de fría. Todas las máquinas térmicas absorben calor de una fuente a una temperatura relativamente alta, realizan un trabajo mecánico y desechan o rechazan algo de calor a una temperatura más baja. Si un sistema pasa por un proceso cíclico, sus energías internas inicial y final son la misma. Para todo proceso cíclico, la primera ley de la termodinámica exige que

Si una máquina repite el mismo ciclo una y otra vez, QH y QC representan el calor absorbido y rechazado por la máquina durante un ciclo; QH es positivo, y QC, negativo. El calor neto Q absorbido por ciclo es

El motor de gasolina, empleado en automóviles y muchos otros tipos de maquinaria, es un ejemplo común de máquina térmica. Examinemos su eficiencia térmica.

La figura muestra el funcionamiento de un tipo de motor de gasolina. Primero, una mezcla de aire y gasolina fluye al interior de un cilindro por una válvula de admisión abierta mientras el pistón desciende, aumentando el volumen del cilindro desde un mínimo de V (cuando el pistón está hasta arriba) hasta un máximo de rV (cuando está hasta abajo). La cantidad r se llama razón de compresión; en los motores de automóviles modernos, r suele estar entre 8 y 10. Al final de esta carrera de admisión, la válvula de admisión se cierra y la mezcla se comprime, de forma aproximadamente adiabática, a un volumen V durante la carrera de compresión. Luego, la bujía enciende la mezcla y el gas caliente se expande, de forma aproximadamente adiabática, otra vez al volumen rV, empujando el pistón y efectuando trabajo; ésta es la carrera de potencia. Por último, se abre la válvula de escape y se expulsan los productos de combustión (carrera de escape) dejando el cilindro listo para la siguiente carrera de admisión.

La figura es un diagrama PV de un modelo idealizado de los procesos termodinámicos en un motor de gasolina. Este modelo se llama ciclo Otto. En el punto A, la mezcla aire-gasolina ya entró en el cilindro.

La mezcla se comprime adiabáticamente hasta el punto B y se enciende. Al quemarse, la gasolina agrega calor QH al sistema, siguiendo la línea BC, y la carrera de potencia es la expansión adiabática al punto D.

El gas se enfría a la temperatura del aire exterior por la línea da, expulsando calor. En la práctica, este gas sale del motor como escape y no vuelve a entrar en el motor, pero dado que entra una cantidad de aire y gasolina equivalente, podemos considerar que el proceso es cíclico.

La eficiencia térmica en el ciclo Otto se calcula como

El ciclo de Carnot consiste en dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos, todos reversibles. La figura 20.13 muestra un ciclo de Carnot que emplea como sustancia de trabajo un gas ideal en un cilindro con un pistón, y consta de los siguientes pasos:

• El gas se expande isotérmicamente a temperatura T_H  absorbiendo calor Q_H  .

La diferencia más importante es que no hay combustible en el cilindro al principio de la carrera de compresión. Un poco antes de iniciar la carrera de potencia, los inyectores comienzan a inyectar combustible directamente al cilindro, con la rapidez justa para mantener la presión casi constante durante la primera parte de la carrera de potencia. A causa de la elevada temperatura desarrollada durante la compresión adiabática, el combustible se enciende espontáneamente al inyectarse; no se requieren bujías.

El ciclo Diesel idealizado se muestra en la figura. Empezando en el punto A, el aire se comprime adiabáticamente hasta el punto B, se calienta a presión constante hasta el punto C, se expande adiabáticamente hasta el punto D y se enfría a volumen constante hasta el punto A.

Puesto que no hay combustible en el cilindro durante la mayoría de la carrera de compresión, no puede haber preignición, y la razón de compresión r puede ser mucho mayor que en un motor de gasolina. Esto mejora la eficiencia y asegura un encendido confiable al inyectarse el combustible (por la alta temperatura alcanzada durante la compresión adiabática). Son comunes valores de r de 15 a 20; con estos valores y el coeficiente adiabático de 1,4 la eficiencia teórica del ciclo Diesel idealizado es de 0,65 a 0,70.

Consideremos que un refrigerador es como una máquina térmica que opera en reversa. Una máquina térmica toma calor de un lugar caliente y lo cede a un lugar más frío. Un refrigerador hace lo contrario; toma calor de un lugar frío (el interior del refrigerador) y lo cede a un lugar más caliente (generalmente al aire del sitio donde está el refrigerador). Una máquina térmica tiene una salida neta de trabajo mecánico; el refrigerador requiere una entrada neta de trabajo mecánico. Aplicando las convenciones de signo, QC es positivo, pero tanto W como QH son negativos:

Los principios del ciclo de refrigeración común se muestran esquemáticamente en la (figura a). El “circuito” contiene un fluido refrigerante (la sustancia de trabajo). El lado izquierdo del circuito (que incluye las espiras de enfriamiento dentro del refrigerador) está a baja temperatura y a baja presión; el lado derecho (que incluye las espiras de condensación fuera del refrigerador) está a alta temperatura y alta presión. Por lo regular, ambos lados contienen líquido y vapor en equilibrio de fases.

El compresor admite fluido, lo comprime adiabáticamente y lo alimenta al condensador a alta presión. De esta manera, la temperatura del fluido es mayor que la del aire que rodea el condensador, por lo que el refrigerante cede calor |QH| y se condensa parcialmente (se convierte en líquido). Luego, el fluido se expande adiabáticamente hacia el evaporador con una rapidez controlada por la válvula de expansión. Al expandirse, el fluido se enfría considerablemente, tanto que está más frío que el entorno del evaporador. El fluido absorbe calor de su entorno |QC|, enfriándolo y vaporizándose parcialmente.

A continuación, el fluido pasa al compresor para iniciar otro ciclo. El compresor, usualmente impulsado por un motor eléctrico (figura b), requiere aporte de energía y realiza trabajo |W| sobre la sustancia de trabajo durante cada ciclo.

Young, Hugh D. y Roger A. Freedman, (2009). Física Universitaria (Vol. 1). Addison-Wesley