Cómo funciona un motor térmico
Los motores térmicos son máquinas o sistemas que convierten la energía térmica en energía mecánica. Un motor térmico básico puede hacer esto absorbiendo calor a una temperatura más alta, como de la energía solar o un horno, y convirtiendo una parte de ese calor en trabajo, a menudo rotando un eje.
El motor luego expulsa el calor residual a una temperatura más baja, quizás a su entorno o a un suministro de agua, antes de prepararse para comenzar de nuevo. Es un proceso cíclico.
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de todos los motores térmicos es el mismo. Cualquier sustancia de trabajo gaseosa o de vapor se devuelve a la etapa inicial pasando por diferentes etapas termodinámicas de un proceso cíclico.
Cada ciclo es una serie de eventos o etapas que se repiten en el mismo orden en el que se transfiere el calor neto, y el movimiento se produce después de que se rechaza parte del calor.
Eficiencia térmica
La eficiencia de un motor térmico se define como la relación entre el trabajo producido y el suministro de calor. Solo una fracción del calor de entrada se convierte en trabajo, y el resto se rechaza. Derivemos una ecuación para la eficiencia de un motor térmico.
η =W/Q1
Donde Q1 = calor suministrado al sistema, kJ
W = trabajo neto realizado por un sistema, kJ
Después de cada ciclo, el motor regresa a su estado anterior, preservando su energía interna.
ΔU = 0
W = Q1−Q2, donde Q2 = calor rechazado del sistema, kJ
Por lo tanto, la eficiencia del motor es:
η =(Q1−Q2)/Q1
η = 1−Q2/Q1
Entonces, en este caso, la eficiencia será del 100%, pero esto no es alcanzable ya que habrá alguna pérdida de energía en el sistema. Como resultado, la eficiencia de cualquier motor tiene una limitación.
Características de un motor térmico
- Recibe calor de una fuente de alta temperatura (horno, reactor nuclear, etc.). Denotado por Q1
- Convierte parte de ese calor en trabajo (principalmente en un eje rotatorio).
- Rechaza el calor residual a un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, los ríos). Denotado por Q2
- Opera completamente en el ciclo termodinámico.
Tipos de motores térmicos
El principio en el que operan los motores térmicos se ha utilizado para clasificarlos. A pesar de que todos los principios se derivan de la termodinámica, cada tipo de motor térmico emplea un principio único para transformar la energía térmica en trabajo mecánico.
Motores de combustión interna
En estos motores térmicos, el combustible se quema dentro del cilindro. El motor de un vehículo es un ejemplo de un motor de combustión interna. Los motores de combustión interna son mucho más económicos que los motores de combustión externa porque no se pierde energía durante la transferencia de calor entre la caldera y el motor.
Motores de combustión externa o motores Stirling
Un motor de combustión externa es un tipo de motor térmico alternativo en el que un fluido de trabajo se calienta mediante la combustión en una fuente externa, como un intercambiador de calor. El fluido luego crea movimiento y trabajo útil al expandirse y trabajar sobre el mecanismo del motor. Puede funcionar sin válvulas ni sistema de ignición, lo que permite intervalos de servicio más largos y costos operativos económicos.
Ejemplos cotidianos de motores térmicos
Las centrales térmicas, los motores de combustión interna, las armas, los congeladores y las bombas de calor son todos ejemplos modernos de motores térmicos.
Las plantas de energía son un ejemplo de motores térmicos que funcionan hacia adelante, con calor fluyendo de un depósito caliente a un depósito frío para crear trabajo.
Los refrigeradores, los acondicionadores de aire y las bombas de calor son todos ejemplos de motores térmicos que funcionan a la inversa. Utilizan trabajo para convertir la energía térmica a una temperatura baja a una temperatura más alta de manera más eficiente que simplemente convertir el trabajo en calor.
Los refrigeradores extraen calor de un contenedor térmicamente cerrado a una temperatura baja y expulsan el calor residual al medio ambiente a una temperatura alta. Por otro lado, las bombas de calor recogen calor de un ambiente de baja temperatura y lo ‘ventilan’ a un contenedor térmicamente cerrado (una casa) a una temperatura más alta.
Motor de Carnot
En 1824, Sadi Carnot sugirió que si un motor térmico pasa por etapas termodinámicas fijas de un proceso específico, entonces la eficiencia del motor térmico puede ser del 100% posible. Esto se llama el motor de Carnot o motor térmico ideal.
Pero la eficiencia de un motor térmico nunca puede ser del 100%. Así que es un motor teórico. Para aumentar la eficiencia del motor práctico, mantenemos la mayor diferencia posible en la temperatura de ambos depósitos.
Un ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico cerrado que es reversible. Esto incluye procesos como la expansión isotérmica, la expansión adiabática, la compresión isotérmica y la compresión adiabática. Durante estos procedimientos, la sustancia se puede expandir y comprimir al grado deseado antes de volver a su forma original.
Los cuatro procesos del ciclo de Carnot son los siguientes:
- Expansión isotérmica del gas : La cantidad de calor absorbido por el gas ideal en este proceso es Qin de la fuente de calor a una temperatura de Th. El gas se expande y tiene un efecto sobre el entorno.
- Expansión adiabática del gas : El sistema está térmicamente aislado aquí, y el gas se expande mientras se trabaja en el entorno. Aquí la temperatura es más baja Ti.
- Compresión isotérmica del gas : La pérdida de calor Qout ocurre cuando el entorno hace el trabajo a temperatura Ti.
- Compresión adiabática del gas : El sistema vuelve a estar térmicamente aislado. A medida que el entorno trabaja en el gas, la temperatura aumenta hasta T h.
Conclusión
Un sistema termodinámico que convierte la energía térmica en energía mecánica se conoce como motor térmico. Cualquier motor térmico requiere un sumidero de calor o una fuente de calor de alta temperatura, que puede tener diferentes formas y tamaños (por ejemplo, un reactor nuclear es la fuente de calor en una planta de energía nuclear, pero en muchos casos se utiliza la quema de combustible como fuente de calor).
El motor recibe calor del depósito caliente y se expande, y este proceso de expansión ejerce trabajo en el entorno, normalmente aprovechado con un pistón. Luego, el sistema vuelve a su condición inicial liberando energía térmica en el depósito frío. El proceso se repite cíclicamente para crear trabajo útil constantemente llamado motor térmico.
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