Heat Engine: definición, tipos y ejemplos

Los motores térmicos están a tu alrededor. Desde el automóvil que conduce hasta el refrigerador que mantiene los alimentos frescos y 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 trabajo útil, y existen muchos enfoques diferentes que puede utilizar para hacerlo. Una de las formas más simples de motor térmico es el motor Carnot, que lleva el nombre del físico francés Nicolas. Leonard Sadi Carnot, construido alrededor de un proceso idealizado de cuatro etapas que depende de adiabáticos e isotérmicos etapas.

Pero el motor Carnot es solo un ejemplo de 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.

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

Cualquier motor térmico necesita un baño de calor 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 calor fuente). Además, debe haber un depósito de frío a baja temperatura, así como el propio motor, que suele ser gas que se expande cuando se aplica calor.

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

Los ciclos termodinámicos o ciclos del motor 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 trabaja con ciclos termodinámicos es el motor de Carnot o un motor que funciona según el ciclo de Carnot. Esta es una forma idealizada de motor térmico que implica 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 usa el encendido del combustible para trabajar en un pistón. En la primera etapa, el pistón desciende para aspirar una mezcla de aire y combustible al motor, que luego se comprime adiabáticamente en la segunda etapa y se enciende en la tercera.

Hay un rápido aumento de temperatura y presión, que actúa sobre el pistón a través de la expansión adiabática, antes de que se abra la válvula de escape, lo que lleva a una reducción de 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 alta presión, que mueve un pistón para proporcionar un trabajo útil.

Luego, el pistón vuelve a subir y empuja el gas hacia un segundo cilindro, donde es enfriado por el frío. depósito antes de ser comprimido nuevamente, un proceso que requiere menos trabajo que el producido en el anterior etapa. Finalmente, el gas se mueve de nuevo a la cámara original, donde se repite el ciclo del motor Stirling.

La eficiencia de un motor térmico es la relación entre la producción de trabajo útil y el aporte de energía térmica o calor, y la 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 tuvieras unPerfectomotor térmico, tendría una eficiencia de 1 y convertiría toda la energía térmica en trabajo utilizable, y si logra convertir la mitad, la eficiencia sería de 0,5. En una forma básica, la fórmula puede ser escrito:

Por supuesto, es imposible que una máquina térmica tenga 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 utilizar para comprender esto, la forma más sencilla de Piense en ello es que las ineficiencias inherentes en cualquier proceso conducen a alguna pérdida de energía, generalmente en forma de desperdicio. calor. Por ejemplo, el pistón de un motor indudablemente tendrá algo de fricción en contra de su movimiento, lo que significa que el sistema perderá energía en el proceso de convertir el calor en trabajo.

La eficiencia máxima teórica de un motor térmico se llama eficiencia de Carnot. La ecuación para esto relaciona la temperatura del depósito calienteT​_H y reservorio fríoT​_C a la eficienciaη) del motor.

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

Lo importante a tener en cuenta es que maximiza la eficiencia de los motores térmicos aumentando 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, yT​_C es la temperatura a la que salen del motor.

La máquina de vapor y las turbinas de vapor son dos de los ejemplos más conocidos de máquina térmica, y La invención de la máquina de vapor fue un acontecimiento histórico importante en la industrialización de sociedad. Una máquina de vapor funciona de manera muy similar a las otras máquinas térmicas discutidas hasta ahora: una caldera enciende 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 empujado completamente hacia afuera, 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 pueda empujarlo hacia atrás también), y el ciclo termodinámico comienza de nuevo 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 una máquina térmica 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 hacer girar las ruedas y propulsar el tren.

Una turbina de vapor funciona de manera muy similar, excepto que el trabajo consiste en hacer 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.

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

Aparte de esto, el resto del ciclo de Otto se completa como se describió anteriormente: el combustible ingresa al motor (o solo aire para diesel), comprimido, encendido (por una chispa para combustible y rociado de combustible en el aire comprimido caliente para diesel), 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 empuja hacia afuera el gas usado.

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 al revés. Por ejemplo, en el ciclo de calefacción de una bomba de calor, el refrigerante absorbe calor del aire exterior debido a su temperatura más baja (ya que el calorsiemprefluye de caliente a frío), y luego se empuja a través de un compresor para elevar su presión y por lo tanto su temperatura.

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

En el ciclo de enfriamiento (como en una unidad de aire acondicionado o un refrigerador), el proceso se ejecuta esencialmente en sentido inverso. El refrigerante absorbe la energía térmica de la habitación (o del interior del frigorífico) porque se mantiene a temperatura fría, y luego se empuja a través del compresor para aumentar la presión y temperatura.

En este punto, se mueve hacia 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 reducir la presión y la temperatura, leyendo para otro ciclo de calentamiento.

Dado que el objetivo de estos procesos es el opuesto al de los ejemplos de motores, la expresión para la eficiencia de una bomba de calor o un refrigerador también es diferente. Sin embargo, esto es bastante predecible en su forma. Para calentar:

Y para enfriar:

Donde elQlos términos son para la energía térmica que se mueve dentro de la habitación (con el subíndice H) y se mueve fuera de ella (con el subíndice C) yW​_en es la entrada de trabajo en el sistema en forma de electricidad. Nuevamente, este valor es un número adimensional entre 0 y 1, pero puede multiplicar el resultado por 100 para obtener un porcentaje si lo prefiere.

Las centrales eléctricas o centrales eléctricas son en realidad otra forma de motor térmico, ya sea que generen calor mediante un reactor nuclear o quemando combustible. La fuente de calor se usa para mover turbinas y, por lo tanto, realizar trabajo mecánico, a menudo usando vapor de agua caliente 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 plantas de energía, 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 un turbina, seguida de la condensación en el condensador (liberando calor residual en el proceso), antes de que el agua enfriada bomba. La bomba aumenta la presión del agua y la prepara para un mayor calentamiento.