Las máquinas térmicas son dispositivos que transforman calor en trabajo. Desde las turbinas de vapor hasta los motores de combustión interna, estas máquinas se utilizan en una amplia variedad de situaciones. Pero, ¿cómo es su funcionamiento exactamente?
¿Qué son las máquinas térmicas?
Las máquinas térmicas son dispositivos que convierten calor en trabajo mecánico, aprovechando para ello la energía liberada en procesos de combustión o mediante el uso de fuentes de calor externas. Las turbinas de vapor y los motores de combustión interna son ejemplos comunes de máquinas térmicas.
¿Cómo funciona una máquina térmica?
El funcionamiento de una máquina térmica se puede dividir en cuatro etapas principales: absorción de calor, expansión, recuperación de calor y compresión. Estas cuatro etapas se realizan en un ciclo completo de la máquina.
Etapa 1: absorción de calor
En la primera etapa, el sistema absorbe calor de un foco térmico, como podría ser una caldera de vapor. Este calor se convierte en energía térmica almacenada en el sistema.
Etapa 2: expansión
A continuación, el fluido de trabajo se expande, lo que produce trabajo mecánico en la máquina. Esto se realiza mediante el uso de una turbina, un motor de combustión interna o cualquier otro mecanismo que convierta el calor en movimiento.
Etapa 3: recuperación de calor
En la tercera etapa, el sistema cede calor a un foco frío, como puede ser la atmósfera. El calor liberado se puede utilizar a menudo para alimentar otro proceso que necesite calor, como puede ser la calefacción de un hogar.
Etapa 4: compresión
Por último, el sistema se comprime, lo que requiere la entrada de trabajo mecánico. Esto devuelve el sistema al estado inicial, y el ciclo comienza de nuevo.
Tipos de máquinas térmicas
Hay varios tipos diferentes de máquinas térmicas, cada una con sus propias fortalezas y debilidades. A continuación, vamos a repasar algunos de los más comunes.
Máquinas de combustión externa
Las máquinas de combustión externa, como las calderas de vapor, utilizan una fuente externa de calor para producir vapor que se utiliza para mover la máquina. Este vapor se produce en una caldera y luego se hace pasar por una turbina para producir trabajo mecánico.
Máquinas de combustión interna
Las máquinas de combustión interna, como los motores de gasolina, utilizan una mezcla de gasolina y aire que se quema dentro del motor para producir trabajo mecánico. Una vez que se produce esta combustión, los gases son expulsados del motor y se dirigen hacia el exterior de la máquina.
Máquinas de vapor
Las máquinas de vapor son un tipo especializado de máquina térmica que utilizan vapor para producir trabajo mecánico. Este vapor se produce en una caldera y luego se hace pasar por una turbina para producir trabajo mecánico. Las máquinas de vapor se utilizan con frecuencia en las centrales eléctricas para generar electricidad.
Motores alternativos
Los motores alternativos son otro tipo de máquina térmica que utilizan el mecanismo de pistón-biela-cigüeñal. Estos motores tienen un pistón que se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro de un cilindro, y la energía producida por la combustión se utiliza para mover la biela y el cigüeñal que están conectados al pistón.
Motores rotativos
Otro tipo de máquina térmica son los motores rotativos. Estos motores utilizan partes giratorias como compresores y turbinas para generar trabajo mecánico. Un ejemplo común de este tipo de máquina es el motor rotativo Wankel utilizado en algunos vehículos deportivos.
El ciclo termodinámico
Todas las máquinas térmicas funcionan mediante lo que se conoce como el ciclo termodinámico, que es un conjunto de procesos que se producen en un ciclo interno de la máquina. El ciclo termodinámico se compone de cuatro procesos principales: la compresión, la combustión, la expansión y la expulsión.
La compresión
El primer proceso del ciclo termodinámico es la compresión. En esta etapa, el fluido de trabajo se comprime, lo que aumenta su temperatura y su presión. Esto es necesario para que el siguiente proceso, la combustión, sea lo más eficiente posible.
La combustión
En la segunda etapa del ciclo termodinámico, se produce la combustión del combustible. Esta combustión libera energía térmica que se utiliza para producir trabajo mecánico en la máquina. El combustible puede ser gasolina, gas o cualquier otro tipo de hidrocarburo combustible.
La expansión
A continuación, en la tercera etapa, el fluido de trabajo se expande, y esta expansión es lo que produce trabajo mecánico en la máquina. Este trabajo mecánico puede utilizarse para generar electricidad, proporcionar tracción en un vehículo o impulsar una bomba, entre otros usos.
La expulsión
Por último, en la última etapa del ciclo termodinámico, el fluido de trabajo es expulsado de la máquina. Esto puede ocurrir mediante la emisión de gases gaseosos si se trata de un motor de combustión interna o mediante la liberación de vapor si se trata de una máquina de vapor. Una vez que se produce esta expulsión, el ciclo se inicia de nuevo con la compresión del fluido de trabajo.
El rendimiento de una máquina térmica
El rendimiento de una máquina térmica se define como la cantidad de trabajo mecánico que se produce a partir de una cierta cantidad de calor suministrado. El rendimiento se puede calcular mediante la fórmula:
Rendimiento = trabajo mecánico obtenido / calor suministrado
El rendimiento de una máquina térmica siempre es menor que uno debido a las pérdidas de energía que se producen en los procesos de la máquina. Estas pérdidas se deben a procesos como la fricción y la emisión de calor residual.
Conclusión
Las máquinas térmicas son dispositivos esenciales en una amplia variedad de aplicaciones, desde la generación de electricidad hasta la propulsión de vehículos. Aunque el proceso de funcionamiento de estas máquinas puede ser complejo, su principio básico es sencillo: convertir el calor en trabajo mecánico mediante un ciclo de proceso repetitivo. A medida que se desarrollen nuevas tecnologías, es posible que veamos una evolución en el diseño y el uso de estas máquinas, pero su función estará siempre vinculada a la transformación de calor en trabajo mecánico.
