Motor térmico
En ingeniería y termodinámica, un motor térmico convierte la energía térmica en trabajo mecánico utilizando la diferencia de temperatura entre una "fuente" caliente y un "sumidero" frío. El calor se transfiere desde la fuente, a través del "cuerpo de trabajo" del motor, al "sumidero", y en este proceso parte del calor se transforma en trabajo utilizando las cualidades del gas o del líquido dentro del motor.
Hay muchos tipos de motores térmicos. Cada una tiene un ciclo termodinámico. Los motores térmicos suelen recibir el nombre del ciclo termodinámico que utilizan, como el ciclo de Carnot. A menudo adoptan nombres cotidianos, como motores de gasolina, de turbina o de vapor.
Los motores de combustión interna generan calor dentro del propio motor. Otros motores térmicos pueden absorber el calor de una fuente externa. Los motores térmicos pueden estar abiertos al aire o sellados y cerrados al exterior (lo que se denomina ciclo abierto o cerrado).
Figura 1: Esquema del motor térmico. T Hes la fuente de calor y TC el disipador de frío. QH es el calor que entra en el motor. Q Ces el calor residual que va al sumidero frío. W es el trabajo útil que sale del motor.
Resumen
Cuando los científicos estudian los motores térmicos, se les ocurren ideas para motores que no pueden construirse realmente. Son los llamados motores o ciclos ideales. Los motores térmicos reales suelen confundirse con los motores o ciclos ideales que intentan imitar.
Normalmente, cuando se describe el dispositivo físico se utiliza el término "motor". Cuando se describe el ideal, se utiliza el término "ciclo".
Se podría decir que el ciclo termodinámico es un caso ideal del motor mecánico. También se podría decir que el modelo no se ajusta perfectamente al motor mecánico. Sin embargo, los modelos simplificados y los casos ideales que pueden representar ofrecen muchas ventajas.
En términos generales, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el sumidero frío, más eficiente será el ciclo o motor. En la Tierra, el lado frío de cualquier motor térmico está limitado a la temperatura del aire del lugar donde se encuentra el motor.
La mayor parte de los esfuerzos para mejorar la eficiencia de los motores térmicos se centran en aumentar la temperatura de la fuente de calor, pero a temperaturas muy altas el metal del motor empieza a ablandarse.
La eficiencia de los distintos motores térmicos propuestos o utilizados en la actualidad oscila entre el 3% (97% de calor residual) de la propuesta de energía oceánica OTEC, el 25% de la mayoría de los motores de automoción, el 45% de una planta de carbón supercrítica y el 60% aproximadamente de una turbina de gas de ciclo combinado refrigerada por vapor. Todos estos procesos ganan su eficiencia (o la falta de ella) debido a la caída de la temperatura en ellos.
La menos eficiente, la OTEC, utiliza la diferencia de temperatura del agua del océano en la superficie y el agua del océano en las profundidades, una pequeña diferencia de quizás 25 grados centígrados, por lo que la eficiencia debe ser baja.
La más eficiente, la turbina de gas de ciclo combinado, quema gas natural para calentar el aire a casi 1.530 grados centígrados, una gran diferencia de temperatura de 1.500 grados centígrados, por lo que la eficiencia puede ser muy grande cuando se añade el ciclo de refrigeración por vapor.
Ejemplos cotidianos
La mayoría de las veces se utilizan motores térmicos en los que el calor procede de un fuego que expande un fluido de trabajo (normalmente agua o aire) y el disipador de calor es una masa de agua o la atmósfera, como en una torre de refrigeración.
Entre los más conocidos que utilizan la expansión de gases calentados se encuentran: la máquina de vapor, el motor diesel y el motor de gasolina de un automóvil.
El motor Stirling es mucho más raro, pero se encuentra en pequeños modelos que pueden funcionar con el calor de una mano.
Un tipo de motor térmico de juguete es el pájaro bebedor.
Una banda bimetálica es un dispositivo que convierte la temperatura en movimiento mecánico y se utiliza en los termostatos para controlar la temperatura. Es un motor térmico que no utiliza un líquido o un gas.
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Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un motor térmico en ingeniería y termodinámica?
R: Un motor térmico es un dispositivo que convierte la energía térmica en trabajo mecánico utilizando la diferencia de temperatura entre una "fuente" caliente y un "sumidero" frío.
P: ¿Cómo funciona un motor térmico?
R: El calor se transfiere desde la fuente a través del cuerpo de trabajo del motor hasta el sumidero y, en este proceso, parte del calor se convierte en trabajo utilizando las propiedades del gas o del líquido del interior del motor.
P: ¿Cuáles son los ciclos termodinámicos asociados a los motores térmicos?
R: Existen muchos tipos de motores térmicos, cada uno con un ciclo termodinámico específico. Reciben el nombre del ciclo termodinámico que utilizan, como el ciclo de Carnot.
P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de motores térmicos que llevan el nombre de objetos cotidianos?
R: Algunos ejemplos de motores térmicos que llevan el nombre de objetos cotidianos son los motores de gasolina, los motores de turbina y los motores de vapor.
P: ¿Cómo generan calor los motores de combustión interna?
R: Los motores de combustión interna generan calor dentro del propio motor.
P: ¿Los motores térmicos pueden estar abiertos al aire?
R: Sí, las máquinas de calor pueden estar abiertas al aire o selladas y cerradas al exterior. Esto se denomina ciclo abierto o cerrado.
P: ¿Todas las máquinas de calor absorben calor de una fuente externa?
R: No, aunque algunos motores térmicos pueden absorber calor de una fuente externa, otros pueden generar calor dentro del propio motor.
