thumb|Diagrama de una máquina térmica motora. Un motor térmico es una máquina térmica que transforma calor en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o el vapor de un líquido.
El calor requerido para el buen funcionamiento de una máquina térmica procede de la energía química liberada en una combustión, siendo absorbido por un fluido motor que pone en movimiento una serie de piezas mecánicas.
Si la combustión tiene lugar fuera del motor, las máquinas reciben el nombre de máquinas de combustión externa, y si la combustión tiene lugar dentro de la máquina, las máquinas reciben el nombre de máquinas de combustión interna. El movimiento producido puede ser alternativo o rotativo.
El fluido motor suele ser el vapor de agua, el aire o la mezcla de gases resultantes de la combustión del petróleo o de gases combustibles. En los motores de combustión interna la combustión se realiza en el fluido motor, y en los motores de combustión externa existen dos fluidos, donde se intercambia calor entre ambos. En las centrales nucleares el calor procede de la energía liberada en la fisión nuclear del uranio o del plutonio, siendo extraído por una sustancia refrigerante que lo cede a un circuito secundario a través de un cambiador de calor.
Historia
En 1765 el escocés James Watt fabricó la primera máquina de vapor eficiente, y significó además el comienzo de la Revolución Industrial, nacida como consecuencia de la sustitución del esfuerzo muscular por el trabajo de las máquinas. La máquina de vapor fue un triunfo de la tecnología que hizo surgir fábricas en la mayoría de países, al mismo tiempo que elevaba el nivel de bienestar de la sociedad.
Un siglo más tarde los motores de combustión interna revolucionaron el transporte terrestre, marítimo y aéreo.
Máquina de vapor
La máquina de vapor es una máquina de combustión externa que aprovecha la fuerza expansiva del vapor de agua para mover un émbolo y producir trabajo.
Historia de la máquina de vapor
En 1691, el ingeniero militar inglés Thomas Savery fue pionero en utilizar la presión del vapor de agua para extraer agua de minas y pozos y mover una rueda hidráulica. Normalmente la presión del vapor de agua solía reventar calderas y tuberías, y además, era poco eficaz porque se perdía el calor del vapor de agua cada vez que se enfriaba el recipiente.
En 1698 Thomas Savery patentó su descubrimiento, y el herrero inglés Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta, que trabajaba a bajas presiones. Además, contaba con un pistón y un cilindro. Con la presión del aire podía mover el pistón.
En 1765 el mecánico escocés James Watt mejoró la máquina de Thomas Newcomen, y en 1782 construyó la primera máquina de vapor.
En 1787 el inventor estadounidense John Fitch construyó un barco de vapor, aunque este fracasó financieramente.
En 1807 Robert Fulton botó el Clermont, el primer barco de vapor.
En 1814 el inglés George Stephenson construyó la primera locomotora de vapor.
Funcionamiento de la máquina de vapor
Hogar: Exterior de la máquina, donde se realiza la combustión. Caldera: Recipiente de acero donde se genera vapor de agua. Está provista de un nivel de agua para observar la altura de ésta, un manómetro para medir la presión interior, y una válvula de seguridad que se abre cuando la presión alcanza un determinado valor, evitando así que se produzca una explosión. El agua es impulsada por una bomba y penetra en la caldera en estado líquido, a alta presión y a temperatura ambiente. En la caldera el agua se calienta y se vaporiza pasando a un sobrecalentador conectado a la caldera, donde la temperatura aumenta y se mantiene la presión. El vapor de agua pasa finalmente al cilindro. Cilindro motor: Está constituido por la caja de distribución, la corredera y el émbolo. El vapor de agua penetra en la caja de distribución y entra en contacto con el émbolo a la vez que el vapor de agua es empujado hacia un orificio por donde escapa dirigiéndose hacia la chimenea o al condensador. En el condensador, el vapor restante se licúa y cede al refrigerante. El líquido condensado es enviado nuevamente por la bomba a la caldera, completando así el ciclo. Órganos transformadores del movimiento: Estos órganos son el vástago, la biela y la manivela, tres varillas articuladas que transformar el movimiento alternativo del émbolo en movimiento circular. El vástago está unido a la biela por medio de una cruceta. La manivela gira a un volante de inercia, cuya misión es mantener constante la velocidad angular. El volante lleva acoplado una excéntrica, que regula el movimiento de la corredera.
Ciclo de Rankine thumb|250px|Esquema de una máquina de Carnot.
El proceso de expansión del vapor de agua contra el émbolo es adiabático, pero no reversible, por lo que no es isoentrópico.
Para que una máquina térmica siguiese el ciclo de Carnot habría que detener la condensación del vapor antes de que se licue por completo y, por medio de un compresor, conseguir que la mezcla vapor-líquido alcance su licuación completa a la temperatura de la caldera.
Como esto resulta imposible, el ingeniero escocés J. M. Rankine propuso una modificación del ciclo de Carnot, denominado ciclo de Rankine.
El agua líquida de la caldera absorbe el calor del hogar, eleva su temperatura a presión constante. Manteniendo la temperatura y la presión constantes se transforma en vapor saturado y seco reversiblemente. El vapor saturado se expande en el interior de la máquina de forma adiabática y reversible, hasta alcanzar la temperatura del refrigerador y se condensa. El trabajo en este caso es positivo. Prosigue la condensación a temperatura y presión constantes, formándose así líquido saturado. El líquido saturado se comprime hasta alcanzar la temperatura y la presión de la caldera.
En un ciclo de Rankine con sobrecalentamiento, la temperatura media a la que se absorbe el calor implica un mayor rendimiento. El vapor permanece seco durante toda la expansión adiabática, por lo que disminuye los peligros a la corrosión.
Potencia de la máquina de vapor
La potencia de una máquina de vapor depende de la presión y la cantidad de vapor de agua admitida por el cilindro en la unidad de tiempo. Como la presión varía, se considera un valor promedio llamado presión media efectiva.
La cantidad de vapor de agua por unidad de tiempo es igual al volumen del cilindro correspondiente a cada revolución multiplicado por el número de revoluciones en unidad de tiempo. El volumen se calcula multiplicando la sección del émbolo por la longitud de la carrera.
siendo
la potencia de la máquina, la presión media efectiva, la longitud de la carrera, la sección del émbolo, el número de revoluciones por unidad de tiempo.
Cuando el vapor de agua actúa sobre ambas caras del émbolo, la potencia teórica desarrollada es el doble de este valor.
A causa de rozamientos y otras pérdidas, realmente la potencia suele ser un 70 o un 90% que la potencia citada.
El tamaño de la máquina de vapor se limita a potencias de 1000CV, a velocidades de 213m/min, a presiones de 14kp/cm², a temperaturas de 315 °C y a rendimientos del 30%.
Las máquinas de vapor se han utilizado como órganos motores de locomotoras, y barcos. Actualmente, han sido sustituidas por motores de combustión.
Turbina de vapor
En la turbina de vapor el vapor de agua se distribuye por cuatro tubos y actúa directamente sobre las paletas de una rueda, haciéndola girar con una velocidad de unas 10000rpm.
La turbina de vapor carece de cilindro motor y de órganos transformadores del movimiento, por lo que el rendimiento es mayor.
Actualmente, la turbina de vapor se emplea en las centrales eléctricas, en la propulsión de buques y en las instalaciones soplantes de altos hornos.
Postulados de la termodinámica
Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor en trabajo o viceversa, existe una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial (ciclo termodinámico). El equivalente mecánico del calor es 427kgm/kcal o en el sistema de normas internacionales ISO 4184julio/1000cal. Una máquina térmica sólo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un manantial a temperatura superior y lo cede en parte a otro a temperatura inferior. Es decir, el calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo más frío a otro más caliente.
Principio básico de funcionamiento
En un motor térmico se producen una serie de transformaciones que conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo cerrado). En el transcurso de estas transformaciones, el motor recibe energía térmica en forma de calor y devuelve energía mecánica en forma de trabajo.
Eficiencia de los motores térmicos
La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o usados hoy en día oscila entre el 3 % (97 % de calor desperdiciado) para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el 25 % para la mayor parte de los motores de automóviles, el 35 % para una planta generadora de carbón supercrítico, y el 60 % para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor. Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la pierden) debido a la depresión de la temperatura a través de ellos. Por ejemplo, los sistemas de conversión de energía térmica del océano emplean una diferencia de temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25 °C, por lo que la eficiencia debe ser baja. Las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 °C, es decir, una diferencia de hasta 1500 °C, por lo que la eficiencia puede ser mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.
Clasificación de los motores térmicos
Para la clasificación de los motores térmicos, además de los criterios ya mencionados en el caso de máquinas de fluido, se tienen en consideración dos aspectos adicionales:
Si el fluido es condensable (agua) o no condensable (aire). Si el proceso es de combustión externa o interna.
Motores de combustión interna thumb|280px|Motor antiguo de combustión interna.
El fundamento de los motores de combustión interna es la realización de la combustión en el interior del cilindro de la máquina, en los que el agente motor es el combustible mezclado con el aire necesario para la combustión.
Existen distintos tipos de máquinas de combustión interna dependiendo del combustible utilizado, las condiciones de la combustión y el número de carreras que efectúa el pistón en un ciclo. El movimiento puede ser alternativo, que lo realizan los motores de explosión y de combustión, o rotativo, que lo realizan las turbinas de explosión y de combustión.
En las máquinas de movimiento alternativo, la combustión es instantánea, producida por una chispa eléctrica, debiendo utilizarse combustibles gaseosos o líquidos muy volátiles, como por ejemplo la gasolina. En las máquinas de movimiento rotativo se realiza de una forma progresiva y a presión constante, utilizándose como combustibles líquidos menos volátiles, como por ejemplo el gasóleo.
En las máquinas de combustión interna, los gases de la combustión son los que circulan por la propia máquina. En este caso, la máquina será necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor será el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustión.
Motores de combustión interna