Motor térmico

Un motor térmico es un sistema que transfiere energía térmica para realizar trabajo mecánico o eléctrico . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Si bien originalmente se concibió en el contexto de la energía mecánica, el concepto de motor térmico se ha aplicado a otros tipos de energía, particularmente eléctrica , al menos desde finales del siglo XIX. ^{[ 3 ] [ 4 ]} El motor térmico hace esto llevando una sustancia de trabajo de una temperatura de estado más alta a una temperatura de estado más baja. Una fuente de calor suministra energía térmica que lleva la sustancia de trabajo al estado de temperatura más alta. La sustancia de trabajo realiza trabajo en el cuerpo de trabajo del motor mientras transfiere calor al sumidero más frío hasta que alcanza un estado de temperatura más baja. Durante este proceso, parte de la energía térmica se convierte en trabajo al explotar las propiedades de la sustancia de trabajo. La sustancia de trabajo puede ser cualquier sistema con una capacidad calorífica distinta de cero , pero generalmente es un gas o un líquido. Durante este proceso, parte del calor normalmente se pierde en el entorno y no se convierte en trabajo. Además, en un motor mecánico, parte de la energía no se puede utilizar debido a la fricción y la resistencia .

En general, un motor es cualquier máquina que convierte energía en trabajo mecánico . Los motores térmicos se distinguen de otros tipos de motores porque su eficiencia está fundamentalmente limitada por el teorema de Carnot de la termodinámica . ^{[ 5 ]} Si bien esta limitación de eficiencia puede ser una desventaja, una ventaja de los motores térmicos es que la mayoría de las formas de energía se pueden convertir fácilmente en calor mediante procesos como reacciones exotérmicas (como la combustión), fisión nuclear , absorción de luz o partículas energéticas, fricción , disipación y resistencia . Dado que la fuente de calor que suministra energía térmica al motor puede alimentarse de prácticamente cualquier tipo de energía, los motores térmicos abarcan una amplia gama de aplicaciones.

Las máquinas térmicas suelen confundirse con los ciclos que intentan implementar. Normalmente, el término "máquina" se usa para referirse a un dispositivo físico y "ciclo" para los modelos; así, por ejemplo, un motor diésel es una máquina que implementa el ciclo diésel .

En termodinámica , las máquinas térmicas suelen modelarse mediante un modelo de ingeniería estándar, como el ciclo Otto . El modelo teórico puede refinarse y complementarse con datos reales de una máquina en funcionamiento, utilizando herramientas como un diagrama indicador . Dado que muy pocas implementaciones reales de máquinas térmicas se ajustan exactamente a sus ciclos termodinámicos subyacentes, podría decirse que un ciclo termodinámico es un caso ideal de una máquina mecánica. En cualquier caso, para comprender plenamente una máquina y su eficiencia se requiere un buen conocimiento del modelo teórico (posiblemente simplificado o idealizado), de los matices prácticos de una máquina mecánica real y de las discrepancias entre ambos.

En términos generales, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y el sumidero frío, mayor será la eficiencia térmica potencial del ciclo. En la Tierra, el lado frío de cualquier máquina térmica está limitado a estar cerca de la temperatura ambiente del entorno, o no mucho menos de 300 kelvin , por lo que la mayoría de los esfuerzos para mejorar las eficiencias termodinámicas de diversas máquinas térmicas se centran en aumentar la temperatura de la fuente, dentro de los límites del material. La eficiencia teórica máxima de una máquina térmica (que ninguna máquina alcanza jamás) es igual a la diferencia de temperatura entre los extremos caliente y frío dividida por la temperatura en el extremo caliente, ambas expresadas en temperatura absoluta .

La eficiencia de los diversos motores térmicos propuestos o utilizados en la actualidad presenta un amplio rango:

• 3% ^{[ 6 ]} (97 por ciento de calor residual utilizando calor de baja calidad) para la propuesta de energía oceánica de conversión de energía térmica oceánica (OTEC)
• 25% para la mayoría de los motores de gasolina de automóviles ^{[ 7 ]}
• 49% para una central eléctrica de carbón supercrítica como la central eléctrica de Avedøre.
• Más del 50 % para motores diésel marinos de dos tiempos de baja velocidad ^{[ 8 ]}
• 60% para una turbina de gas de ciclo combinado ^{[ 9 ]}

La eficiencia de estos procesos es aproximadamente proporcional a la caída de temperatura que se produce en ellos. Los equipos auxiliares, como las bombas, pueden consumir una cantidad significativa de energía, lo que reduce la eficiencia.

Aunque algunos ciclos tienen una ubicación de combustión típica (interna o externa), a menudo pueden implementarse con la otra. Por ejemplo, John Ericsson ^{[ 10 ]} desarrolló un motor de calentamiento externo que funciona con un ciclo muy similar al ciclo Diesel anterior . Además, los motores de calentamiento externo a menudo pueden implementarse en ciclos abiertos o cerrados. En un ciclo cerrado, el fluido de trabajo se retiene dentro del motor al finalizar el ciclo, mientras que en un ciclo abierto, el fluido de trabajo se intercambia con el ambiente junto con los productos de la combustión en el caso del motor de combustión interna, o simplemente se ventila al ambiente en el caso de motores de combustión externa como máquinas de vapor y turbinas .

La eficiencia de una máquina térmica se relaciona con la cantidad de trabajo útil que produce a partir de una cantidad determinada de energía térmica de entrada.

Según las leyes de la termodinámica , después de un ciclo completo: ^{[ 15 ]}

• ${\displaystyle W+Q=\Delta _{ciclo}U=0}$

y por lo tanto

• ${\displaystyle W=-Q=-(Q_{c}+Q_{h})}$

dónde

• ${\displaystyle W=-\oint PdV}$es el trabajo neto extraído del motor en un ciclo. (Es negativo, según la convención de la IUPAC , ya que el motor realiza trabajo ).
• ${\displaystyle Q_{h}>0}$Es la energía térmica extraída de la fuente de calor de alta temperatura del entorno en un ciclo. (Es positiva, ya que se añade energía térmica al motor).
• ${\displaystyle Q_{c}=-|Q_{c}|<0}$es el calor residual que el motor libera al disipador de calor a baja temperatura. (Es negativo ^{[ 15 ]} ya que el motor pierde calor hacia el disipador).

En otras palabras, una máquina térmica absorbe energía calorífica de una fuente de calor de alta temperatura, convirtiendo parte de ella en trabajo útil y liberando el resto como calor residual hacia un disipador de calor de baja temperatura.

En general, la eficiencia de un proceso de transferencia de calor determinado se define por la relación entre "lo que se extrae" y "lo que se introduce". (Para un refrigerador o una bomba de calor, que pueden considerarse como un motor térmico funcionando a la inversa, este es el coeficiente de rendimiento y es ≥ 1). En el caso de un motor, se desea extraer trabajo y se debe introducir calor.${\displaystyle Q_{h}}$, por ejemplo, a partir de la combustión de un combustible, por lo que la eficiencia del motor se define razonablemente como $${\displaystyle \eta ={\frac {|W|}{Q_{h}}}={\frac {Q_{h}+Q_{c}}{Q_{h}}}=1+{\frac {Q_{c}}{Q_{h}}}=1-{\frac {|Q_{c}|}{Q_{h}}}}$$

La eficiencia es inferior al 100% debido al calor residual.${\displaystyle Q_{c}<0}$Inevitablemente se pierde en el sumidero frío (y el correspondiente trabajo de compresión realizado) durante la recompresión necesaria a baja temperatura antes de que pueda producirse de nuevo la carrera de potencia del motor.

La eficiencia máxima teórica de cualquier máquina térmica depende únicamente del rango de temperaturas entre las que opera. Esta eficiencia se suele calcular utilizando una máquina térmica ideal hipotética, como la máquina térmica de Carnot , aunque otras máquinas que utilizan ciclos diferentes también pueden alcanzar la máxima eficiencia. Matemáticamente, tras un ciclo completo, el cambio total de entropía es cero.

$${\displaystyle \ \ \ \Delta S_{h}+\Delta S_{c}=\Delta _{ciclo}S=0}$$

Tenga en cuenta que${\displaystyle \Delta S_{h}}$es positivo porque la expansión isotérmica en la carrera de potencia aumenta la multiplicidad del fluido de trabajo, mientras que${\displaystyle \Delta S_{c}}$es negativo ya que la recompresión disminuye la multiplicidad. Si el motor es ideal y funciona de forma reversible ,${\displaystyle Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}}$y${\displaystyle Q_{c}=T_{c}\Delta S_{c}}$y así ^{[ 16 ] [ 15 ]}

$${\displaystyle Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0,}$$

lo cual da${\displaystyle Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}}$y por lo tanto el límite de Carnot para la eficiencia de las máquinas térmicas, $${\displaystyle \eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$$

dónde${\displaystyle T_{h}}$es la temperatura absoluta de la fuente caliente y${\displaystyle T_{c}}$la del sumidero frío, que generalmente se mide en kelvin .

El razonamiento que justifica que esta sea la máxima eficiencia es el siguiente. En primer lugar, se supone que si es posible un motor térmico más eficiente que un motor de Carnot, este podría funcionar a la inversa como una bomba de calor. Mediante análisis matemáticos, se puede demostrar que esta combinación supuesta resultaría en una disminución neta de la entropía . Dado que, según la segunda ley de la termodinámica , esto es estadísticamente improbable hasta el punto de la exclusión, la eficiencia de Carnot constituye un límite superior teórico para la eficiencia fiable de cualquier ciclo termodinámico.

Empíricamente, nunca se ha demostrado que ningún motor térmico funcione con mayor eficiencia que un motor térmico de ciclo de Carnot.

Las figuras 2 y 3 muestran las variaciones de la eficiencia del ciclo de Carnot con la temperatura. La figura 2 indica cómo cambia la eficiencia al aumentar la temperatura de adición de calor para una temperatura de entrada del compresor constante. La figura 3 indica cómo cambia la eficiencia al aumentar la temperatura de rechazo de calor para una temperatura de entrada de la turbina constante.

Las máquinas térmicas se conocen desde la antigüedad, pero no se convirtieron en dispositivos útiles hasta la Revolución Industrial del siglo XVIII. Su desarrollo continúa hasta el día de hoy.

Los ingenieros han estudiado los distintos ciclos de máquinas térmicas para mejorar la cantidad de trabajo útil que podrían extraer de una fuente de energía determinada. El límite del ciclo de Carnot no se puede alcanzar con ningún ciclo basado en gas, pero los ingenieros han encontrado al menos dos maneras de sortear ese límite y una forma de obtener una mayor eficiencia sin infringir ninguna norma:

1. Incrementar la diferencia de temperatura en el motor térmico. La forma más sencilla de hacerlo es aumentar la temperatura del lado caliente, que es el enfoque utilizado en las turbinas de gas de ciclo combinado modernas . Desafortunadamente, los límites físicos (como el punto de fusión de los materiales utilizados para construir el motor) y las preocupaciones ambientales con respecto a la producción de NO _x (si la fuente de calor es la combustión con aire ambiente) restringen la temperatura máxima en los motores térmicos funcionales. Las turbinas de gas modernas funcionan a temperaturas lo más altas posible dentro del rango de temperaturas necesarias para mantener una producción aceptable de NO _x . Otra forma de aumentar la eficiencia es disminuir la temperatura de salida. Un método nuevo para lograrlo es utilizar fluidos de trabajo químicos mixtos y luego aprovechar el comportamiento cambiante de las mezclas. Uno de los más famosos es el llamado ciclo Kalina , que utiliza una mezcla 70/30 de amoníaco y agua como fluido de trabajo. Esta mezcla permite que el ciclo genere energía útil a temperaturas considerablemente más bajas que la mayoría de los demás procesos.
2. Explotar las propiedades físicas del fluido de trabajo. La explotación más común es el uso de agua por encima del punto crítico ( agua supercrítica ). El comportamiento de los fluidos por encima de su punto crítico cambia radicalmente, y con materiales como el agua y el dióxido de carbono es posible aprovechar esos cambios para obtener una mayor eficiencia termodinámica de la máquina térmica, incluso si se utiliza un ciclo Brayton o Rankine bastante convencional. Un material más reciente y muy prometedor para estas aplicaciones es el _CO₂ supercrítico . _El SO₂ y el xenón también se han considerado para estas aplicaciones. Entre las desventajas se incluyen problemas de corrosión y erosión, el diferente comportamiento químico por encima y por debajo del punto crítico, las altas presiones necesarias y, en el caso del dióxido de azufre y, en menor medida, del dióxido de carbono, la toxicidad. Entre los compuestos mencionados, el xenón es el menos adecuado para su uso en un reactor nuclear debido a la alta sección transversal de absorción de neutrones de casi todos los isótopos de xenón , mientras que el dióxido de carbono y el agua también pueden funcionar como moderadores de neutrones para un reactor de espectro térmico.
3. Aprovechar las propiedades químicas del fluido de trabajo. Una técnica relativamente nueva consiste en utilizar fluidos de trabajo exóticos con propiedades químicas ventajosas. Un ejemplo es el dióxido de nitrógeno (NO₂ ₎ , un componente tóxico del smog, que tiene un dímero natural como tetróxido de dinitrógeno (N₂O₄ ₎ . A baja temperatura, el _N₂O₄ se comprime y luego se calienta. El aumento de la temperatura provoca que cada molécula de N₂O₄ _se disocie _{en dos} moléculas de NO₂ _{. Esto} reduce el peso molecular del fluido de trabajo, lo que aumenta drásticamente la eficiencia del ciclo. Una vez que el NO₂ _se ha expandido a través de la turbina, se enfría mediante el disipador de calor _, lo que hace que se recombine en N₂O₄ _{. Este se} realimenta al compresor para otro ciclo. Se han investigado especies como el bromuro de aluminio ( Al₂Br₆ ₎ , el NOCl y el Ga₂I₆ _{para estos} usos. Hasta la fecha, sus inconvenientes no han justificado su uso, a pesar de las ganancias de eficiencia que se pueden obtener. ^{[ 18 ]}

Cada proceso es uno de los siguientes:

• isotérmico (a temperatura constante, mantenida mediante la adición o eliminación de calor de una fuente o sumidero de calor)
• isobárico (a presión constante)
• isométrico/isocórico (a volumen constante), también denominado isovolumétrico
• adiabático (no se añade ni se elimina calor del sistema durante el proceso adiabático)
• isoentrópico (proceso adiabático reversible, no se añade ni se elimina calor durante el proceso isoentrópico)

• Motor térmico de Carnot
• Cogeneración
• Refrigerador Einstein
• Bomba de calor
• Motor alternativo para una descripción general de la mecánica de los motores de pistón.
• Motor Stirling
• Ciclo termodinámico
• Termosíntesis
• Cronología de la tecnología de motores térmicos

• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Física térmica (2.ª  ed.). WH Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.
• Callen, Herbert B. (1985). Termodinámica e introducción a la termoestadística (2.ª  ed.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8.
• Robinson, Clark (1943). La termodinámica de las armas de fuego . MaGraw-Hill Book Company Inc.