Motor térmico

Diagrama de una máquina térmica motora.

Un motor térmico es una máquina térmica motora, i.e. una máquina térmica de motor, o un motor de tipo térmico. En definitiva, es algo de motor y de temperatura, en la cual la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. Transforma energía térmica en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o un líquido.

Postulados de la termodinámica

1. Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor en trabajo o viceversa, existe una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial. El equivalente mecánico del calor es 427 kgm/kcal o en el sistema de normas internacionales ISO 4184 joule/1000 cal (cal=calorías), siendo un joule igual a 1 N x m ò Newton x metro (Newton en mayuscula por ser un nombre propio).
2. Una máquina térmica sólo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un manantial a temperatura superior y lo cede en parte a otro a temperatura inferior. Es decir, el calor no puede transferirse de un cuerpo más frío a otro más caliente.
3. NOTA: Sin embargo, en un motor Stirling se demuestra que el sistema es simétrico, es decir, aplicando frío se consigue rendimiento inverso. "El calor no puede transferirse de un cuerpo mas frío a otro más caliente" como "El frío no puede transferirse de un cuerpo mas caliente a otro mas frío". Es obvio, se trata de diferencia térmica o gradiente sea éste positivo ( aportando calor ) o negativo ( aportando frío ).

Principio básico de funcionamiento

En un motor térmico se producen una serie de transformaciones que conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo cerrado). En el transcurso de estas transformaciones, el motor recibe energía térmica en forma de calor y devuelve energía mecánica en forma de trabajo.

Eficiencia de los motores térmicos

La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o usados hoy en día oscila entre el 3% (97% de calor desperdiciado) para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el 25% para la mayor parte de los motores de automóviles, el 35% para una planta generadora de carbón supercrítico, y el 60% para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor. Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la pierden) debido a la depresión de la temperatura a través de ellos. Por ejemplo, los sistemas de conversión de energía térmica del océano emplean una diferencia de temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25 grados celsius, por lo que la eficiencia debe ser baja. Las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 grados Celsius, es decir, una diferencia de hasta 1500 grados, por lo que la eficiencia puede ser mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.

Clasificación de los motores térmicos

Para la clasificación de los motores térmicos, además de los criterios ya mencionados en el caso de máquinas de fluido, se tienen en consideración dos aspectos adicionales:

• Si el fluido es condensable (agua) o no condensable (aire).
• Si el proceso es de combustión externa o interna.

Máquinas de combustión interna

En las máquinas de combustión interna, los gases de la combustión son los que circulan por la propia máquina. En este caso, la máquina será necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor será el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustión.

Máquinas de combustión externa

Si la combustión es externa, el calor de la combustión se transfiere al fluido a través de una pared, por ejemplo en un intercambiador de calor. Este tipo de máquinas no exige un proceso de combustión, como sucede en las instalaciones nucleares, si bien es el procedimiento usual. Dado que el fluido motor no sufre degradación alguna, estas máquinas pueden ser de ciclo cerrado, a lo que actualmente se tiende por razones económicas.

NOTA: Los motores volumétricos rotativos y de reacción no han sido desarrollados.

Véase también

• Motor
• Motor de combustión externa
• Motor de combustión interna
• Motor adiabático
• Motor tragallamas
• Motor a reacción
• Motor cohete