1. Introducción
En este tema vamos a estudiar un tipo de máquinas fundamentales en nuestra vida diaria y en el desarrollo tecnológico: las máquinas térmicas. Son las responsables del funcionamiento de motores, centrales eléctricas, frigoríficos, bombas de calor o sistemas de climatización.
De forma general, una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, normalmente en forma de movimiento mecánico, a partir de los cambios de energía que experimenta un fluido al atravesar la máquina.
Denominamos máquina térmica a un conjunto de elementos mecánicos que intercambia energía, generalmente a través de un eje, aprovechando la variación de energía de un fluido que cambia de condiciones al pasar por la máquina (por ejemplo, presión, temperatura o volumen).
El fluido que circula por una máquina térmica puede ser un gas o un líquido, y su energía cambia de forma apreciable al variar su presión, su velocidad, su temperatura o su volumen. Estas variaciones hacen posible transformar energía térmica en energía mecánica o, en algunos casos, realizar el proceso inverso.
La energía total de un fluido está compuesta principalmente por:
- Energía cinética: debida a la velocidad del fluido.
- Energía potencial o gravitatoria: relacionada con la altura a la que se encuentra.
- Energía de presión: asociada a la presión que ejerce el fluido.
Cuando un fluido atraviesa una máquina térmica, estas formas de energía pueden aumentar o disminuir. El resultado de este intercambio es, muchas veces, la obtención de trabajo mecánico útil, como el giro de un eje.
Clasificación de las máquinas térmicas
Hay muchas clasificaciones pero se proponen dos formas de clasificar las máquinas térmicas: según el sentido de transferencia de energía y según el principio de funcionamiento.
1) Según el sentido de transferencia de energía
La energía del fluido disminuye al atravesar la máquina y se obtiene energía mecánica en el eje (por ejemplo, un eje que gira para mover un mecanismo).
La energía del fluido aumenta al atravesar la máquina y, para lograrlo, es necesario aportar energía mecánica a través del eje.
2) Según el principio de funcionamiento
En algún instante el fluido queda contenido dentro de un volumen limitado por elementos de la máquina, y ese espacio cambia de tamaño.
En este tipo de máquinas el flujo suele ser pulsatorio (a pulsos, a “golpes”, no continuo).
Se dividen en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor:
- Alternativas: el órgano propulsor se mueve en línea recta
(ej.: motor combustión interna alternativo o MCIA).
- Rotativas: el órgano propulsor gira con movimiento circular cambiando el volumen, quedando el líquido atrapado (ej.: motor Wankel).
Su funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete(turbina con álabes). El flujo suele ser continuo (ej.: turbina de gas, turbina de vapor).
A partir de esta clasificación general, en las siguientes secciones iremos bajando al detalle: qué es un sistema termodinámico, qué transformaciones puede hacer un fluido y cómo se explica, con fórmulas, el rendimiento de motores y máquinas frigoríficas.
Clasificación general de las máquinas térmicas
El motor térmico
Un motor térmico es un sistema que transforma calor en trabajo mecánico. Para que este proceso sea posible, el motor debe funcionar de forma cíclica, es decir, repitiendo siempre una misma secuencia de procesos.
Un motor térmico es un sistema que, funcionando de manera cíclica, transforma el calor en trabajo mecánico.
En la mayoría de los motores térmicos, el calor necesario para producir trabajo procede de una reacción química de combustión. Este calor es absorbido por un fluido que circula por el interior del motor y que, al recorrer las distintas partes de la instalación, va transformando energía térmica en energía mecánica aprovechable.
El fluido de trabajo describe siempre un ciclo termodinámico. Esto significa que comienza y termina en el mismo estado, lo que permite repetir el proceso de forma continua. Analizando este ciclo se puede obtener una primera estimación del trabajo producido por el motor.
El fluido utilizado puede ser:
- Gaseoso, como ocurre en los motores de combustión interna, donde los gases de la combustión se suelen modelar como aire.
- Sustancia condensable, como el agua, que puede encontrarse en estado líquido o vapor según las condiciones de presión y temperatura, como ocurre en las turbinas de vapor.
La energía térmica que alimenta a un motor puede proceder de diferentes fuentes:
energía
nuclear, solar, eléctrica u otras. Aun así, la fuente más utilizada es la energía térmica procedente
de la combustión de combustibles.
Se denomina motor de combustión al motor térmico que obtiene la energía térmica a partir de la combustión de un combustible, es decir, de la transformación de energía química en energía térmica.
Estos motores son los más extendidos debido a su elevada potencia específica y a la facilidad para almacenar y transportar los combustibles que utilizan.