¿QUE ES UNA MAQUINA TERMICA?

¿QUE ES UNA MAQUINA TERMICA?

La definición moderna del término máquina es el conjunto de elementos que permiten vencer una resistencia o transformar una información aplicando una energía. El curso pasado se analizaron los elementos que pueden componer una máquina, como engranajes, tornillos, etc. En este curso se analizan las máquinas térmicas. 

Las máquinas térmicas son dispositivos mecánicos que transforman cíclicamente energía térmica en energía mecánica (las máquinas térmicas de potencia, también llamadas motores térmicos) o bombean energía térmica de un nivel térmico inferior a uno superior (llamándose frigorífic?~ si el interés se centra en la extracción de la energía térmica de bajo nivel y bombas si el interés reside en el aporte de energía térmica de alto nivel, aunque a veces se persigue ambos objetivos a la vez).

Los motores térmicos (desarrollados a partir del siglo XVIII) sirven para canalizar el enorme potencial energético de los combustibles (todavía no son competitivos los dispositivos de conversión directa) y el 95% de la energía mecánica (o eléctrica) consumida en el mundo es producida por estas máquinas (el resto es producida en saltos hidráulicos); para ello, los motores térmicos consumen más del 60% de todos los recursos energéticos mundiales. Los frigoríficos (desarrollados a partir del siglo XIX) permiten enfriar sustancias por debajo de la temperatura ambiente (lo cual es mucho más difícil que calentar porque hay que disminuir la entropía del sistema) y cada vez se utilizan más, principalmente en la indusma de la alimentación y del acondicionamiento ambiental, consumiéndose para ello cerca del 5% de los recursos energéticos mundiales. Las bombas de calor apenas llegan a competir con los sistemas tradicionales de calefacción y su incidencia en el consumo energético mundial es insignificante.  

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. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis: 

1. El gas que evoluciona en el interior de la máquina es ideal. 

2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo. 

3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriar el volumen fijo. 

4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas. De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los cálculos:

En realidad, la hipótesis del aporte de calor no es desafortunada, incluso, los motores se clasifican atendiendo a la forma en que se produce la combustión como motores de combustión externa, cuando el combustible no tiene contacto con el gas que produce el trabajo, frente a motores de combustión interna, que son aquéllos en los que el combustible se quema junto con el gas. Otra clasificación se realiza atendiendo al movimiento de las piezas en su interior, y tendíamos motores alternativos (basados en el mecanismo de pistón-biela-cigüeñal), rotativos (que sólo tienen piezas giratorias, normalmente compresores y turbinas) y motores de chorro (basados en el principio de acción y reacción, como los cohetes). 

Un segundo tipo de máquinas térmicas se basa en dar trabajo para conseguir extraer calor de un recinto que está a baja temperatura y expulsarlo en un ambiente a mayor temperatura. Son los frigoríficos que conocemos bien en la cocina de casa y las bombas de calor. En ambos casos, su representación simplificada es la del dibujo: El rendimiento de estas máquinas, como siempre, es la relación entre lo que se obtiene (calor) y lo que se gasta (trabajo). 

Ciclos termodinámicos de gas y de vapor 

Como ya se ha dicho, los ciclos de gas y de vapor que se consideran en Termodinámica son modelos sencillos de los procesos (la mayor parte de las veces ni siquiera cíclicos) que tienen lugar en las máquinas térmicas reales, con vistas sobre todo a la comparación entre sí, pues en la comparación con las máquinas reales se obtienen discrepancias típicas superiores al 50%. 

Aunque todo ciclo puede servir como motor o como frigorífico o bomba según el sentido en que se recorra en un diagrama termodinámico, supondremos que siempre se trata de producir trabajo (motor). La utilización de 19s ciclos de gas en refrigeración es escasa, reduciéndose a una variante del ciclo Brayton (con expansión isentálpica) en refrigeración de cabinas de vehículos y etapas previas de la licuación de gases, y al uso del ciclo Stirling en refrigeración criogénica. Entre los ciclos más estudiados se pueden citar los siguientes.  

MAQUINA TERMICA Y SUS DOS CATEGORIAS

Es un conjunto de elementos que permite obtener un trabajo mecánico útil a partir de un desnivel térmico natural o artificial; o bien, que, a partir de un trabajo externo, permite obtener un desnivel térmico entre dos focos. Estas dos formas de trabajar nos clasifican las máquinas térmicas:

•  Máquina térmica directa: Motores térmicos 

 Realizan un trabajo al pasar calor desde un foco caliente a otro frio. Este proceso tiene un rendimiento

• Máquina térmica inversa: Máquina frigorífica y bomba de calor

Reciben trabajo para pasar calor desde un foco frio a otro caliente. Este proceso tiene un rendimiento o eficiencia.

MTD: máquina térmica directa

Ej: motor térmico de combustión interna alternativo: se inyecta una mezcla de aire/combustible en el interior de los cilindros donde se producirá la combustión. El calor Q1 se transforma en trabajo mecánico útil W y en pérdidas en forma de calor Q2

MTI: máquina térmica inversa. 

Ej: máquina frigorífica: se extraen calorías del foco frio Q2 (medio a refrigerar) y lo transfieren al foco caliente Q1, consumiendo un trabajo W.

calculo de eficiencia o rendimiento

En las máquinas térmicas inversas el rendimiento puede ser mayor del 100%, por eso hablamos de eficiencia y no de rendimiento. Esto es posible debido a que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más el trabajo o potencia aportado por el compresor, que se transmite al fluido.

LAS CUATRO ETAPAS DE LAS MAQUINAS DE VAPOR

La estructura detallada de cada maquina de calor puede variar enormemente, pero la versionmas sencilla consta de cuatro etapas:

• Una primera etapa en la cual se absorbe calor de forma iostérmica de un reservorio a alta temperatura.
• En la siguiente se produce trabajo de forma adiabática.
• A continuación se rechaza, de forma isotérmica, el calor no aprovechado hacia el reservorio de baja temperatura.
• Un paso final en el cual se suministra trabajo para llevar al fluido de trabajo de vuelta al estado en el que se inicio la primera etapa.

DISTINCIÓN ENTRE MÁQUINA HIDRÁULICA Y  MÁQUINA TÉRMICA 

Como puede verse, tanto las máquinas hidráulicas como las máquinas térmicas pueden ser motoras o generadoras, volumétricas o turbomáquinas; lo que diferencia a ambos tipos de máquinas es concretamente qué tipo de fluido, compresible o incompresible, evoluciona por su interior. En ese sentido hay que destacar que la compresibilidad del fluido juega un papel fundamental  en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido compresible y el exterior, tal como se expone en el anexo I, basándose en la ecuación del Primer Principio de la Termodinámica. En los fluidos compresibles es posible transformar energía térmica en energía mecánica expandiendo el fluido, así como aumentar la energía térmica de un fluido, y por tanto su nivel de presión, comprimiendo el fluido. Como consecuencia de ello, al distinguir entre máquinas térmicas y máquinas hidráulicas se está diferenciando qué tipos de energías estarán presentes en el término que se ha denominado genéricamente “E”, en la clasificación de las máquinas de fluido. 

Las máquinas térmicas utilizan fluidos compresibles y en ellas  es posible transformar parte de la energía térmica de estos  fluidos en energía mecánica y viceversa; por tanto, “E” incluirá energía térmica y energía cinética, ya que la variación de la energía potencial entre la entrada y la salida de la máquina puede despreciarse. En los fluidos incompresibles esta transformación no es posible, de forma que sólo se podrá aprovechar su energía mecánica, en concreto su energía cinética. Por tanto, si a la entrada de una máquina hidráulica el fluido tiene una energía térmica asociada, que se puede incrementar por la fricción a su paso por la máquina, ésta no intervendrá en el intercambio energético.