Máquinas térmicas

3. Máquinas térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que permite a un sistema realizar un ciclo termodinámico (directo o inverso) entre dos focos térmicos a diferente temperatura, realizando como mínimo dos transformaciones termodinámicas y transformando la energía térmica en energía mecánica o viceversa.

Máquina térmica directa o motor térmico

Según el 2º principio de la termodinámica, el calor no puede pasar espontáneamente de un cuerpo más frío a otro más caliente. Lo que implica que una máquina térmica solo puede realizar un trabajo absorbiendo calor de un foco de temperatura superior (foco caliente) y cediéndolo, en parte, a un foco de menor temperatura (foco frío).

Es decir, el motor térmico extrae una cantidad de calor Q_c del foco caliente, realiza un trabajo W sobre el entorno y cede una cantidad de calor Q_F al foco frío.

Rendimiento de una máquina térmica

Sabemos que:

• 
  Q_c: Calor obtenido desde el foco caliente y recibido por el fluido.
• Q_F: Calor cedido por el fluido al foco frío.
• W: Trabajo realizado por el fluido. Diferencia entre Q_c y Q_f.

El rendimiento de las máquinas térmicas η (eta) es la relación entre la cantidad de trabajo obtenido (W) y el calor absorbido por el sistema desde el foco caliente (Q_c).

Por la primera ley de la termodinámica, según la cual la energía se conserva, se obtiene que el trabajo producido por la máquina es igual a la diferencia entre el calor absorbido del foco caliente (Q_c) y el calor cedido al foco frío (QF).

η = W Q_C = (Q_C − Q_F) Q_C

En el ciclo de Carnot el intercambio de calor se produce de forma reversible. Sin embargo, en una máquina real el calor fluye con pérdidas y desorden. Por eso solo en Carnot se puede relacionar directamente calor con temperatura, por lo que se puede expresar el rendimiento según la temperatura de los focos:

η = (T_C − T_F) T_C = 1 − T_F T_C

Nota: Este rendimiento siempre menor que 1.

Máquina térmica inversa: máquinas frigoríficas y bomba de calor

Siguiendo con la explicación dada antes, a una máquina térmica inversa se la podría formular con el siguiente epígrafe: es imposible que una máquina térmica extraiga calor de una fuente fría y lo ceda a un foco caliente sin recibir un trabajo adicional desde el exterior.

De tal forma que ese enunciado coincide con el funcionamiento básico de una máquina frigorífica:

Una máquina frigorífica extrae una cantidad de calor Q_F (Q₂) del foco frío, para ello recibe energía del entorno en forma de trabajo W y cede una cantidad de calor Q_C (Q₁) al foco caliente.

Cuando hablamos de máquinas frigoríficas o bombas de calor, en vez de hablar de rendimiento nos referimos a eficiencia (ε) o, más técnicamente, al Coeficiente de Operación (COP).

Máquina frigorífica: “Lo útil es el Q_F y lo que me cuesta es el W del compresor”.

COP = ε = Q_F W = Q_F (Q_C − Q_F)

La eficiencia de una máquina frigorífica es el cociente entre el calor absorbido del foco frío Q_F (el que se extrae del interior del recinto) y el trabajo aportado W.

Bomba de calor: “Lo útil es el Q_C y lo que me cuesta es el W del compresor”.

COP = Q_C W = Q_C (Q_C − Q_F)

La eficiencia en una bomba de calor es el cociente entre el calor cedido al foco caliente Q_C (interior del recinto) y el trabajo aportado W.

Nota: Este rendimiento puede ser mayor que 1.

4. Clasificación de las máquinas térmicas

Las máquinas térmicas pueden clasificarse atendiendo a distintos criterios, según el lugar donde se produce la combustión y según la forma en que se realiza el trabajo.

Criterio	Tipo	Descripción / Ejemplos
Lugar de la combustión	Combustión externa	La combustión se realiza fuera de la máquina. Los gases no se mezclan con el fluido de trabajo. Ej: máquina de vapor.
	Combustión interna	La combustión se realiza dentro del motor. Los gases de la combustión realizan el trabajo. Ej: motor de 4 tiempos.
Forma de trabajo	Alternativos	El trabajo útil lo realizan órganos con movimiento alternativo (pistones).
	Rotativos	El trabajo útil lo realizan órganos con movimiento de rotación continua.
Tipo de máquina térmica	Motores de combustión interna	Alternativos: Encendido por compresión (MEC), 2 y 4 tiempos (Diesel) Encendido provocado (MEP), 2 y 4 tiempos (Otto) Rotativos: Motor Diésel Turbina de gas en ciclo abierto Motor Wankel Aerorreactores: Cohetes Aerorreactores
	Motores de combustión externa	Alternativos Rotativos: Turbina de vapor Turbina de gas en ciclo cerrado
	Máquinas frigoríficas	Por compresión Por absorción
	Bomba de calor	Máquina térmica inversa que cede calor al foco caliente.