Un motor térmico es un sistema que convierte el calor en energía utilizable , particularmente energía mecánica , que luego puede usarse para realizar trabajo mecánico . [1] [2] Aunque originalmente concebido en el contexto de la energía mecánica, el concepto de motor térmico se ha aplicado a varios otros tipos de energía, particularmente eléctrica , desde al menos finales del siglo XIX. [3] [4] El motor térmico hace esto llevando una sustancia de trabajo desde un estado de temperatura más alto a un estado de temperatura más bajo. Una fuente de calor genera energía térmica que lleva la sustancia de trabajo a un estado de temperatura más alto. La sustancia de trabajo genera trabajo en el cuerpo de trabajo del motor mientras transfiere calor al disipador más frío hasta que alcanza un estado de temperatura más baja. Durante este proceso, parte de la energía térmica se convierte en trabajo aprovechando las propiedades de la sustancia de trabajo. La sustancia de trabajo puede ser cualquier sistema con una capacidad calorífica distinta de cero , pero normalmente es un gas o un líquido. Durante este proceso, normalmente se pierde algo de calor al entorno y no se convierte en trabajo. Además, parte de la energía no se puede utilizar debido a la fricción y el arrastre .
En general, un motor es cualquier máquina que convierte energía en trabajo mecánico . Los motores térmicos se distinguen de otros tipos de motores por el hecho de que su eficiencia está fundamentalmente limitada por el teorema de la termodinámica de Carnot . [5] Aunque esta limitación de eficiencia puede ser un inconveniente, 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 funcionar con prácticamente cualquier tipo de energía, los motores térmicos cubren una amplia gama de aplicaciones.
Los motores térmicos a menudo se confunden con los ciclos que intentan implementar. Normalmente, el término "motor" se utiliza para un dispositivo físico y "ciclo" para los modelos.
En termodinámica , los motores térmicos a menudo se modelan utilizando un modelo de ingeniería estándar como el ciclo Otto . El modelo teórico se puede refinar y aumentar con datos reales de un motor en funcionamiento, utilizando herramientas como un diagrama indicador . Dado que muy pocas implementaciones reales de motores térmicos coinciden exactamente con sus ciclos termodinámicos subyacentes, se podría decir que un ciclo termodinámico es un caso ideal de un motor mecánico. En cualquier caso, comprender plenamente un motor y su eficiencia requiere una buena comprensión del modelo teórico (posiblemente simplificado o idealizado), los matices prácticos de un motor mecánico real y 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 motor térmico se limita a estar cerca de la temperatura ambiente del medio ambiente, o no muy por debajo de 300 kelvin , por lo que la mayoría de los esfuerzos para mejorar las eficiencias termodinámicas de varios motores térmicos se centran en aumentar la temperatura del fuente, dentro de los límites materiales. La eficiencia teórica máxima de un motor térmico (que ningún motor alcanza jamás) es igual a la diferencia de temperatura entre los extremos frío y caliente dividida por la temperatura en el extremo caliente, cada una expresada en temperatura absoluta .
La eficiencia de los distintos motores térmicos propuestos o utilizados en la actualidad tiene una amplia gama:
La eficiencia de estos procesos es aproximadamente proporcional a la caída de temperatura a través de ellos. Los equipos auxiliares, como las bombas, pueden consumir una cantidad significativa de energía, lo que reduce efectivamente la eficiencia.
Es importante señalar que, aunque algunos ciclos tienen un lugar de combustión típico (interno o externo), muchas veces se pueden implementar con el otro. Por ejemplo, John Ericsson [9] desarrolló un motor con calefacción externa que funciona en un ciclo muy parecido al ciclo diésel anterior . Además, los motores calentados externamente 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 medio ambiente junto con los productos de la combustión en el caso del motor de combustión interna o simplemente se ventila al medio ambiente. el medio ambiente en el caso de motores de combustión externa como máquinas de vapor y turbinas .
Ejemplos cotidianos de motores térmicos incluyen la central térmica , el motor de combustión interna , las armas de fuego , los refrigeradores y las bombas de calor . Las centrales eléctricas son ejemplos de motores térmicos que funcionan en dirección hacia adelante en los que el calor fluye desde un depósito caliente y fluye hacia un depósito frío para producir trabajo como el producto deseado. Los refrigeradores, los acondicionadores de aire y las bombas de calor son ejemplos de motores térmicos que funcionan a la inversa, es decir, utilizan trabajo para tomar energía térmica a baja temperatura y elevar su temperatura de una manera más eficiente que la simple conversión de trabajo en calor (ya sea mediante fricción o resistencia eléctrica). Los refrigeradores eliminan el calor del interior de una cámara térmicamente sellada a baja temperatura y ventilan el calor residual a una temperatura más alta al ambiente y las bombas de calor toman calor del ambiente de baja temperatura y lo "ventilan" a una cámara térmicamente sellada (una casa) a una temperatura más alta. .
En general, los motores térmicos aprovechan las propiedades térmicas asociadas con la expansión y compresión de gases según las leyes de los gases o las propiedades asociadas con los cambios de fase entre los estados gaseoso y líquido.
La atmósfera y la hidrosfera de la Tierra (el motor térmico de la Tierra) son procesos acoplados que constantemente igualan los desequilibrios del calentamiento solar mediante la evaporación del agua superficial, la convección, las precipitaciones, los vientos y la circulación oceánica, al distribuir el calor por todo el mundo. [10]
Una celda Hadley es un ejemplo de motor térmico. Implica el ascenso de aire cálido y húmedo en la región ecuatorial de la Tierra y el descenso de aire más frío en las zonas subtropicales, creando una circulación directa impulsada térmicamente, con la consiguiente producción neta de energía cinética. [11]
En los ciclos de cambio de fase y en los motores, los fluidos de trabajo son gases y líquidos. El motor convierte el fluido de trabajo de gas a líquido, de líquido a gas, o ambos, generando trabajo a partir de la expansión o compresión del fluido.
En estos ciclos y motores el fluido de trabajo es siempre un gas (es decir, no hay cambio de fase):
En estos ciclos y motores el fluido de trabajo es siempre como líquido:
Un frigorífico doméstico es un ejemplo de bomba de calor : un motor térmico a la inversa. El trabajo se utiliza para crear un diferencial de calor. Muchos ciclos pueden ejecutarse en reversa para mover el calor del lado frío al lado caliente, haciendo que el lado frío sea más frío y el lado caliente más caliente. Las versiones de estos ciclos con motor de combustión interna son, por su naturaleza, no reversibles.
Los ciclos de refrigeración incluyen:
El motor de evaporación Barton es un motor térmico basado en un ciclo que produce energía y aire húmedo enfriado a partir de la evaporación de agua en aire caliente y seco.
Los motores térmicos mesoscópicos son dispositivos a nanoescala que pueden cumplir el objetivo de procesar flujos de calor y realizar trabajos útiles a pequeña escala. Las aplicaciones potenciales incluyen, por ejemplo, dispositivos de refrigeración eléctricos. En tales motores térmicos mesoscópicos, el trabajo por ciclo de operación fluctúa debido al ruido térmico. Existe una igualdad exacta que relaciona el promedio de los exponentes del trabajo realizado por cualquier máquina térmica y la transferencia de calor desde el baño térmico más caliente. [14] Esta relación transforma la desigualdad de Carnot en igualdad exacta. Esta relación también es una igualdad del ciclo de Carnot.
La eficiencia de una máquina térmica relaciona la cantidad de trabajo útil que se genera con una determinada cantidad de energía térmica aportada.
De las leyes de la termodinámica , después de un ciclo completado: [15]
En otras palabras, un motor térmico absorbe energía térmica de la fuente de calor de alta temperatura, convirtiendo parte de ella en trabajo útil y emitiendo el resto como calor residual al disipador de calor de temperatura fría.
En general, la eficiencia de un proceso de transferencia de calor determinado se define por la relación entre "lo que se saca" y "lo que se pone". (Para un refrigerador o una bomba de calor, que puede considerarse como un motor térmico que funciona a la inversa, este es el coeficiente de rendimiento y es ≥ 1.) En el caso de un motor, uno desea extraer trabajo y tiene que ponerlo en calor , por ejemplo de la combustión de un combustible, por lo que la eficiencia del motor se define razonablemente como
La eficiencia es inferior al 100% debido al calor residual que inevitablemente se pierde en el disipador de frío (y el correspondiente trabajo de compresión realizado) durante la recompresión requerida a la temperatura fría antes de que pueda ocurrir nuevamente la carrera de potencia del motor.
La eficiencia máxima teórica de cualquier motor térmico depende únicamente de las temperaturas entre las que opera. Esta eficiencia generalmente se obtiene utilizando un motor térmico imaginario ideal como el motor térmico de Carnot , aunque otros motores que utilizan ciclos diferentes también pueden alcanzar la máxima eficiencia. Matemáticamente, después de un ciclo completo, el cambio general de entropía es cero:
Tenga en cuenta que es positivo porque la expansión isotérmica en la carrera de potencia aumenta la multiplicidad del fluido de trabajo, mientras que es negativo ya que la recompresión disminuye la multiplicidad. Si el motor es ideal y funciona de forma reversible , y , y por tanto [16] [15]
,
lo que da y, por lo tanto, el límite de Carnot para la eficiencia del motor térmico,
¿Dónde está la temperatura absoluta de la fuente caliente y la del sumidero frío, generalmente medida en kelvins ?
El razonamiento detrás de que esto 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, entonces podría funcionar a la inversa como una bomba de calor. Se puede utilizar el análisis matemático para demostrar que esta supuesta combinación daría como resultado 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 es un límite superior teórico de la eficiencia confiable 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.
La Figura 2 y la Figura 3 muestran variaciones en la eficiencia del ciclo de Carnot con la temperatura. La Figura 2 indica cómo cambia la eficiencia con un aumento en la temperatura de adición de calor para una temperatura de entrada del compresor constante. La Figura 3 indica cómo cambia la eficiencia con un aumento en la temperatura de rechazo de calor para una temperatura de entrada de la turbina constante.
Por su naturaleza, cualquier ciclo de Carnot de máxima eficiencia debe operar con un gradiente de temperatura infinitesimal ; esto se debe a que cualquier transferencia de calor entre dos cuerpos de diferentes temperaturas es irreversible, por lo tanto, la expresión de eficiencia de Carnot se aplica sólo al límite infinitesimal. El principal problema es que el objetivo de la mayoría de las máquinas térmicas es generar potencia, y rara vez se desea una potencia infinitesimal.
Una medida diferente de la eficiencia ideal de una máquina térmica viene dada por consideraciones de termodinámica endorversible , donde el sistema se divide en subsistemas reversibles, pero con interacciones no reversibles entre ellos. Un ejemplo clásico es el motor Curzon-Ahlborn, [17] muy similar a un motor de Carnot, pero donde los depósitos térmicos a temperatura y pueden ser diferentes de las temperaturas de la sustancia que pasa por el ciclo reversible de Carnot: y . Las transferencias de calor entre los depósitos y la sustancia se consideran conductoras (e irreversibles) en la forma . En este caso, se debe llegar a un equilibrio entre la producción de energía y la eficiencia. Si el motor funciona muy lentamente, el flujo de calor es bajo y se obtiene el resultado clásico de Carnot.
pero al precio de una producción de energía cada vez menor. Si, en cambio, se opta por hacer funcionar el motor a su máxima potencia de salida, la eficiencia se vuelve
Este modelo hace un mejor trabajo al predecir qué tan bien pueden funcionar las máquinas térmicas del mundo real (Callen 1985, ver también termodinámica endoreversible ):
Como se muestra, la eficiencia de Curzon-Ahlborn se ajusta mucho más a los modelos observados.
Los motores térmicos se conocen desde la antigüedad, pero sólo se convirtieron en dispositivos útiles durante la revolución industrial en el siglo XVIII. Continúan desarrollándose en la actualidad.
Los ingenieros han estudiado los distintos ciclos de las máquinas térmicas para mejorar la cantidad de trabajo utilizable 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 formas de evitar ese límite y una forma de obtener una mayor eficiencia sin infringir ninguna regla:
Cada proceso es uno de los siguientes:
ecuaciones (39), (40) y (65).
ecuación (64).