Los motores térmicos están a su alrededor. Desde el automóvil que conduce hasta el refrigerador que mantiene sus alimentos frescos hasta los sistemas de calefacción y refrigeración de su casa, todos funcionan según los mismos principios clave.

El objetivo de cualquier motor térmico es convertir la energía térmica en útil. trabajo, y hay muchos enfoques diferentes que puede utilizar para hacer esto. Una de las formas más simples de motor térmico es el motor Carnot, llamado así por el físico francés Nicolas Leonard Sadi Carnot, construido en torno a un proceso idealizado de cuatro etapas que depende de etapas adiabáticas e isotérmicas.

Pero el motor Carnot es solo Un ejemplo de un motor térmico y muchos otros tipos logran el mismo objetivo básico. Aprender cómo funcionan los motores térmicos y cómo hacer cosas como calcular la eficiencia de un motor térmico es importante para cualquiera que estudie termodinámica.
¿Qué es un motor térmico?

Un motor térmico es un sistema termodinámico que convierte energía térmica en energía mecánica. Aunque muchos diseños diferentes caen bajo este encabezado general, se encuentran varios componentes básicos en casi cualquier motor térmico.

Cualquier motor térmico necesita un baño térmico o una fuente de calor de alta temperatura, que puede tomar muchas formas diferentes ( por ejemplo, un reactor nuclear es la fuente de calor en una planta de energía nuclear, pero en muchos casos la quema de combustible se utiliza como fuente de calor). Además, debe haber un depósito frío a baja temperatura, así como el propio motor, que generalmente es gas que se expande cuando se aplica calor.

El motor absorbe el calor del depósito caliente y se expande, y esta expansión El proceso es lo que funciona en el medio ambiente, generalmente aprovechado en una forma utilizable con un pistón. Luego, el sistema libera energía térmica al depósito frío y vuelve a su estado inicial. Luego, el proceso se repite una y otra vez de manera cíclica para generar continuamente trabajo útil.
Tipos de motores térmicos

Los ciclos termodinámicos o motores son una forma genérica de describir muchos sistemas termodinámicos específicos que funcionan de manera cíclica común a la mayoría de los motores térmicos. El ejemplo más simple de un motor térmico que funciona con ciclos termodinámicos es el motor Carnot o un motor que funciona según el ciclo Carnot. Esta es una forma idealizada de motor térmico que involucra solo procesos reversibles, en particular compresión y expansión adiabática e isotérmica.

Todos los motores de combustión interna operan en el ciclo Otto, que es otro tipo de ciclo termodinámico que utiliza el encendido de combustible para trabajar en un pistón. En la primera etapa, el pistón cae para extraer una mezcla de combustible y aire en el motor, que luego se comprime adiabáticamente en la segunda etapa y se enciende en la tercera.

Hay un rápido aumento de la temperatura y la presión, que funciona en el pistón a través de la expansión adiabática, antes de que se abra la válvula de escape, lo que reduce la presión. Finalmente, el pistón se eleva para eliminar los gases gastados y completar el ciclo del motor.

Otro tipo de motor térmico es el motor Stirling, que contiene una cantidad fija de gas que se mueve entre dos cilindros diferentes en diferentes etapas del proceso. La primera etapa consiste en calentar el gas para elevar la temperatura y producir una presión alta, que mueve un pistón para proporcionar un trabajo útil.

El pistón luego se eleva y empuja el gas hacia un segundo cilindro, donde está enfriado por el depósito frío antes de ser comprimido nuevamente, un proceso que requiere menos trabajo que el producido en la etapa anterior. Finalmente, el gas regresa a la cámara original, donde se repite el ciclo del motor Stirling. Eficiencia de los motores térmicos

La eficiencia de un motor térmico es la relación entre la producción útil de trabajo y la energía térmica o térmica. entrada, y el resultado es siempre un valor entre 0 y 1, sin unidades porque tanto la energía térmica como la producción de trabajo se miden en julios. Esto significa que si tuviera un motor térmico perfecto , tendría una eficiencia de 1 y convertiría toda la energía térmica en trabajo utilizable, y si lograra convertir la mitad, la eficiencia sería 0.5. En una forma básica, la fórmula se puede escribir:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Heat energy}}

Por supuesto, es imposible para un motor térmico tienen una eficiencia de 1, porque la segunda ley de la termodinámica dicta que cualquier sistema cerrado aumentará en entropía con el tiempo. Aunque existe una definición matemática precisa de entropía que puede usar para comprender esto, la forma más sencilla de pensarlo es que las ineficiencias inherentes en cualquier proceso conducen a una pérdida de energía, generalmente en forma de calor residual. Por ejemplo, el pistón de un motor indudablemente tendrá algo de fricción trabajando contra su movimiento, lo que significa que el sistema perderá energía en el proceso de convertir el calor en trabajo.

La máxima eficiencia teórica de un motor térmico se llama Eficiencia de Carnot. La ecuación para esto relaciona la temperatura del depósito caliente T
_{H y el depósito frío T
C con la eficiencia ( η
) del motor. η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

Puede multiplicar el resultado de esto por 100 si desea expresar la respuesta como un porcentaje. Es importante recordar que este es el máximo teórico : es poco probable que cualquier motor del mundo real se acerque realmente a la eficiencia de Carnot en la práctica.

Lo importante a tener en cuenta es que maximiza eficiencia de los motores térmicos al aumentar la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el depósito frío. Para un motor de automóvil, T
_{H es la temperatura de los gases dentro del motor cuando se quema, y T
C es la temperatura a la que se expulsan el motor.
Ejemplos del mundo real - Motor de vapor}

El motor de vapor y las turbinas de vapor son dos de los ejemplos más conocidos de un motor térmico, y la invención del motor de vapor fue un evento histórico importante en la industrialización de la sociedad. Una máquina de vapor funciona de manera muy similar a las otras máquinas de calor discutidas hasta ahora: una caldera convierte el agua en vapor, que se envía a un cilindro que contiene un pistón, y la alta presión del vapor mueve el cilindro.

El vapor transfiere parte de la energía térmica al cilindro, enfriándose en el proceso, y luego, cuando el pistón se ha expulsado completamente, el vapor restante sale del cilindro. En este punto, el pistón vuelve a su posición original (a veces el vapor se dirige hacia el otro lado del pistón para que también pueda empujarlo hacia atrás), y el ciclo termodinámico comienza nuevamente con más vapor.

Este diseño relativamente simple permite producir una gran cantidad de trabajo útil a partir de cualquier cosa capaz de hervir agua. La eficiencia de un motor térmico con este diseño depende de la diferencia entre la temperatura del vapor y la del aire circundante. Una locomotora de vapor utiliza el trabajo creado a partir de este proceso para girar las ruedas y propulsar el tren.

Una turbina de vapor funciona de manera muy similar, excepto que el trabajo consiste en girar una turbina en lugar de mover un pistón. Esta es una forma particularmente útil de generar electricidad debido al movimiento de rotación generado por el vapor.
Ejemplos del mundo real - Motor de combustión interna

El motor de combustión interna funciona según el ciclo Otto descrito anteriormente, con chispa encendido utilizado para motores de gasolina y encendido por compresión utilizado para motores diesel. La principal diferencia entre estos es la forma en que se enciende la mezcla de combustible y aire, con la mezcla de aire y combustible comprimida y luego encendida físicamente en los motores de gasolina y el combustible se rocía en el aire comprimido en los motores diesel, provocando que se encienda por la temperatura .

Aparte de esto, el resto del ciclo de Otto se completa como se describió anteriormente: el combustible es aspirado al motor (o simplemente aire para el diesel), comprimido, encendido (por una chispa para combustible y rociando combustible en el aire comprimido caliente para diésel), que hace un trabajo utilizable en el pistón a través de la expansión adiabática, y luego la válvula de escape se abre para reducir la presión, y el pistón expulsa el gas usado.
Ejemplos del mundo real - Bombas de calor, Acondicionadores de aire y refrigeradores

Las bombas de calor, los acondicionadores de aire y los refrigeradores también funcionan en una forma de ciclo de calor, aunque tienen el objetivo diferente de utilizar el trabajo para mover la energía térmica en lugar de lo contrario. Por ejemplo, en el ciclo de calentamiento de una bomba de calor, el refrigerante absorbe el calor del aire exterior debido a su temperatura más baja (ya que el calor siempre fluye del calor al frío) y luego se empuja a través de un compresor para aumente su presión y, por lo tanto, su temperatura.

Este aire más caliente se traslada al condensador, cerca de la habitación a calentar, donde el mismo proceso transfiere calor a la habitación. Finalmente, el refrigerante pasa a una válvula que reduce la presión y, por lo tanto, la temperatura, listo para otro ciclo de calentamiento.

En el ciclo de enfriamiento (como en una unidad de aire acondicionado o un refrigerador), el proceso esencialmente funciona en reversa. El refrigerante absorbe energía térmica de la habitación (o dentro del refrigerador) porque se mantiene a una temperatura fría, y luego se empuja a través del compresor para aumentar la presión y la temperatura. En este punto, se mueve a el exterior de la habitación (o en la parte posterior del refrigerador), donde la energía térmica se transfiere al aire exterior más frío (o la habitación circundante) Luego, el refrigerante se envía a través de la válvula para bajar la presión y la temperatura, leyendo para otro ciclo de calentamiento.

Dado que el objetivo de estos procesos es lo opuesto a los ejemplos del motor, la expresión para la eficiencia de una bomba de calor o el refrigerador también es diferente. Sin embargo, esto es bastante predecible en forma. Para calentar:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

Y para enfriar:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Donde el Los términos Q
son para la energía térmica movida a la habitación (con el subíndice H) y fuera de ella (con el subíndice C) y W
_{en es la entrada de trabajo en el sistema en forma de electricidad. Una vez más, este valor es un número adimensional entre 0 y 1, pero puede multiplicar el resultado por 100 para obtener un porcentaje si lo prefiere.
Ejemplo del mundo real - Centrales eléctricas o Centrales eléctricas}

Centrales eléctricas o Las centrales eléctricas son en realidad solo otra forma de motor térmico, ya sea que generen calor utilizando un reactor nuclear o quemando combustible. La fuente de calor se usa para mover turbinas y, por lo tanto, realizar trabajos mecánicos, a menudo utilizando vapor de agua calentada para hacer girar una turbina de vapor, que genera electricidad de la manera descrita anteriormente. El ciclo de calor preciso utilizado puede variar entre las centrales eléctricas, pero el ciclo de Rankine se usa comúnmente.

El ciclo de Rankine comienza con la fuente de calor que eleva la temperatura del agua, luego la expansión del vapor de agua en una turbina, seguido de la condensación en el condensador (liberando calor residual en el proceso), antes de que el agua enfriada vaya a una bomba. La bomba aumenta la presión del agua y la prepara para un mayor calentamiento.