Máquinas térmicas

Conservación de la energía

Helmholtz, en 1827, asignó la misma naturaleza a la energía mecánica y a la energía calorífica, afirmando que:

• La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Esto es simplemente el enunciado del principio de conservación de la energía.
  

La cantidad de energía del Universo permanece constante.

• La cantidad de energía del Universo es constante, pero va degradándose en forma de calor. Es decir, en todas las transformaciones, una parte de la energía que interviene se transforma en calor.
  

En todos los procesos espontáneos, la energía se degrada: un cuerpo cae espontáneamente pero no vuelve a subir, un recipiente con agua caliente se enfría, pero no puede calentarse tomando calor del ambiente...

Conservación de la energía y termodinámica clásica

Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación de la energía es la llamada primera ley de la termodinámica, la cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de calor (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema (ΔU) más el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores, , o de otra manera:

Aunque la energía no se pierde, se degrada de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. En un proceso irreversible, la entropía de un sistema aislado aumenta y no es posible devolverlo al estado termodinámico físico anterior. Así un sistema físico aislado puede cambiar su estado a otro con la misma energía pero con dicha energía en una forma menos aprovechable. Por ejemplo, un movimiento con fricción es un proceso irreversible por el cual se convierte energía mecánica en energía térmica. Esa energía térmica no puede convertirse en su totalidad en energía mecánica de nuevo ya que, como el proceso opuesto no es espontáneo, es necesario aportar energía extra para que se produzca en el sentido contrario. Desde un punto de vista cotidiano, las máquinas y los procesos desarrollados por el hombre funcionan con un rendimiento menor al 100%, lo que se traduce en pérdidas de energía y por lo tanto también de recursos económicos o materiales. Como se decía anteriormente, esto no debe interpretarse como un incumplimiento del principio enunciado sino como una transformación "irremediable" de la energía.

Equivalente mecánico del calor

Hacia 1797, el conde Rumford había observado en el arsenal de Múnich, Alemania, el calor de fricción que se generaba al mecanizar los cañones. Rumford sumergió un cañón en un barril de agua y dispuso una herramienta de perforación especialmente embotada. Demostró que el agua podía ser hervida en cuestión de dos horas y media y que el suministro de calor de fricción era aparentemente inagotable, basándose en estos experimentos, publicó en 1798 un artículo.

El artículo y el experimento inspiró el trabajo del físico inglés James Prescott Joule en 1845, que demostró experimentalmente que la energía mecánica en un proceso es equivalente a la cantidad de calor producido. Para ello realizó la experiencia mostrada en el dibujo de abajo. Al caer las dos pesas, hacían girar unas aspas unidas al eje, removiendo el agua contenida en el recipiente (calorímetro). Al caer los cuerpos de masa m desde una altura h, el trabajo realizado es:

W = 2.m.g.h

El eje se pone en movimiento y las aspas mueven el agua. La cantidad de calor producida se puede calcular midiendo el aumento de temperatura del agua, y sería:

Q=m.c_e (T₂- T₁)

Con esta experiencia, Joule demostró que siempre que se realizaba una misma cantidad de trabajo, se obtenía la misma cantidad de calor: W = Q

La relación entre la cantidad de calor producido y el trabajo realizado es una constante llamada equivalente mecánico del calor. Si expresamos el calor en calorias y en trabajo en julios:

1 cal = 4,18

y la relación inversa es:

1J = 0,24cal 

Máquinas térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina.

El rendimiento o eficiencia de una máquina térmica es la relación entre la energía que deseamos obtener de dicha máquina (trabajo realizado) y la energía consumida en su funcionamiento  (energía suministrada).

Las máquinas térmicas son dispositivos que pueden producir trabajo mecánico a partir de calor.

El  rendimiento se designa con la letra griega y la fórmula de una máquina térmica es:

Dependiendo del tipo de máquina térmica, la transferencia de estas energías se realizará en forma de calor, Q, o de trabajo, W. La energía mecánica se transforma íntegramente en calor, pero no se puede producir trabajo tomando calor de un solo foco. Son necesarios dos focos (caliente y frío) para que la diferencia de calor entre los dos focos sea el trabajo útil.

En los automóviles, el rendimiento oscila entre el 20-25 % de la energía suministrada. Es decir el 75% de la energía suministrada se libera a la atmósfera en forma de calor. El rendimiento de una máquina térmica siempre es menor del 100%. Los motores de explosión de los automóviles tienen un rendimiento en tomo al 50%. La mitad de la energía consumida se disipa en forma de calor. En realidad, una máquina térmica transforma energía térmica en otras formas de energía. 

La máquina de vapor

La primera máquina térmica eficiente fue la máquina de vapor, desarrollada en el siglo XVIII para bombear agua de las minas en Inglaterra. Es una máquina de combustión externa; esto quiere decir que la combustión se produce fuera del lugar donde se realiza el trabajo.

El resultado obtenido es el movimiento de algún elemento (una rueda, generalmente). Es decir, a partir del calor generado en la caldera se obtiene energía cinética que luego se transforma en otras formas de energía, trabajo, etc.

Las centrales térmicas utilizan como combustible fuel-oil o gas (centrales térmicas convencionales) o uranio (centrales nucleares). En ellas, el vapor producido en la caldera mueve una turbina que hace girar el generador.

La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. Este ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

1. Se genera vapor de agua por el calentamiento en una caldera cerrada herméticamente, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.
2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras y motores marinos, entre otros. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son de desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la industria y por el motor de combustión interna.

Las máquinas frigoríficas

Una máquina frigorífica tiene como fin absorber energía en forma de calor de una región a baja temperatura mediante la realización de un trabajo. Mención especial merece la obtención de temperaturas muy bajas, proceso que recibe el nombre de criogeneración.

Una máquina frigorífica es un dispositivo cíclico que transfiere energía térmica desde una región de baja temperatura hasta otra de alta temperatura, gracias al trabajo aportado desde el exterior,​ generalmente por un motor eléctrico. Los ciclos en los cuales operan se llaman ciclos de refrigeración, de los cuales el empleado con más frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Otro ciclo muy empleado es el ciclo de refrigeración de gas y también el de refrigeración por absorción.

Los fluidos de trabajo utilizados en estos ciclos se llaman refrigerante o fluidos frigorígenos, que en distintas partes de la máquina sufren transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa) y mediante las cuales se realiza la transferencia de energía.

Otro dispositivo de idénticas características, es la bomba de calor. En realidad, ambos son, en esencia, los mismos dispositivos, que solo difieren en sus objetivos. La máquina frigorífica tiene como objetivo extraer calor de un espacio frío, para mantener su baja temperatura, transfiriéndolo o desechándolo en otra zona de mayor temperatura. El objetivo de una bomba de calor es aportar calor a un espacio para mantenerlo caliente, tomándolo de una fuente de baja temperatura, como el aire exterior frío o el agua de un pozo.

Clasificación de refrigeradores

En general, las máquinas frigoríficas se clasifican por el número de estrellas, que representan la capacidad de enfriamiento. La mayoría son de compresión mecánica y los problemas de ruido del motor se han disminuido notablemente.

Los refrigeradores de absorción funcionan con electricidad, a gas o aceite, son muy silenciosos, pero menos eficaces.

El motor de explosión

Es también un motor térmico de cuatro tiempos. Utiliza la energía almacenada por un combustible, y el calor generado al quemarlo en los cilindros se aprovecha para transmitir el movimiento hasta las ruedas.

Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos

El combustible se inyecta pulverizado y mezclado con el gas (habitualmente aire u oxígeno) dentro de un cilindro.
La combustión total de 1 gramo de gasolina se realizaría teóricamente con 14,7 gramos de aire, pero como es imposible realizar una mezcla perfectamente homogénea de ambos elementos, se suele introducir un 10 % más de aire del necesario (relación en peso 1/16), a veces se suele inyectar más o menos combustible, esto lo determina la sonda lambda (o sonda de oxígeno) la cual envía una señal a la ECU. 

Una vez dentro del cilindro, la mezcla es comprimida. Al llegar al punto de máxima compresión (punto muerto superior o PMS) se hace saltar una chispa, producida por una bujía, que genera la explosión del combustible. Los gases encerrados en el cilindro se expanden empujando un pistón que se desliza dentro del cilindro (expansión teóricamente adiabática de los gases).

La energía liberada en esta explosión es transformada en movimiento lineal del pistón, el cual, a través de una biela y el cigüeñal, es convertido en movimiento giratorio. La inercia de este movimiento giratorio hace que el motor no se detenga y que el pistón vuelva a empujar el gas, expulsándolo por la válvula correspondiente, ahora abierta. Por último, el pistón retrocede de nuevo, permitiendo la entrada de una nueva mezcla de combustible.