Motor térmico

Fig. 1. Motor de combustión interna de 4 tiempos. 1: inyección de combustible, 2: encendido, 3: expansión (se realiza el trabajo), 4: escape.

Un motor térmico es un tipo de motor que produce un movimiento macroscópico por medio del calor. Cuando las personas se frotan las manos, la fricción convierte la energía mecánica (el movimiento de nuestras manos) en energía térmica (las manos se calientan). Los motores térmicos hacen todo lo contrario; toman la energía de estar calientes (en comparación con el entorno) y la convierten en movimiento. A menudo, este movimiento se convierte en electricidad con un generador.

Casi toda la energía que se aprovecha para el transporte y la electricidad proviene de los motores térmicos. Los objetos calientes, incluso los gases, tienen energía térmica que puede convertirse en energía útil. Los motores térmicos mueven energía de un lugar caliente a un lugar frío y desvían parte de esa energía a energía mecánica. Los motores térmicos requieren una diferencia de temperatura para funcionar.

El estudio de la termodinámica fue inspirado inicialmente en el intento de obtener la mayor cantidad de energía posible de los motores térmicos. Hasta el día de hoy, se utilizan varios combustibles, como gasolina, carbón y uranio. Todavía todos estos motores térmicos funcionan bajo los límites impuestos por el segundo principio de la termodinámica. Esto significa que se utilizan varios combustibles para calentar un gas y se necesita un gran depósito frío para eliminar el calor residual. A menudo, el calor residual pasa a la atmósfera o a una gran masa de agua (el océano, un lago o un río).

Dependiendo del tipo de motor, se emplean diferentes procesos, como encender el combustible por combustión (gasolina y carbón), o utilizar energía de procesos nucleares para producir calor (uranio), pero el objetivo final es el mismo: convertir el calor en trabajo. El ejemplo más familiar de un motor térmico es el motor de un automóvil, pero la mayoría de las centrales eléctricas, como el carbón, el gas natural y la energía nuclear, también son motores térmicos.

Motor de combustión interna

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Los motores de combustión interna son la forma más común de motores térmicos, ya que se utilizan en vehículos, barcos, aviones y trenes. Se denominan así porque el combustible se enciende para que funcione dentro del motor. La misma mezcla de aire y combustible se emite como escape. Esto se hace más comúnmente con un pistón, pero también se puede hacer con una turbina.

La Fig. 1 es un ejemplo de un motor de combustión interna. Este tipo en particular se llama motor de cuatro tiempos, que es bastante común en los automóviles.

Motor térmico externo

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Los motores térmicos externos generalmente son máquinas de vapor y se diferencian de las internas en que la fuente de calor está separada del gas con el que funciona. Estos motores térmicos generalmente se denominan motores de combustión externa porque la combustión se produce fuera del motor. Por ejemplo, la combustión externa usaria una llama para convertir el agua en vapor y luego usar el vapor para hacer girar una turbina. Esto es diferente de la combustión interna, como en el motor de un automóvil, donde la gasolina se enciende dentro de un pistón, funciona y luego es expulsada.

Los reactores nucleares no tienen combustión, por lo que se usa el término más amplio motor térmico externo. El reactor de agua en ebullición de la Fig. 2 es un motor térmico externo, al igual que otras centrales eléctricas nucleares.

Fig. 2. Un reactor nuclear de agua en ebullición, que es un motor térmico externo.

Ejemplos de motores térmicos

Combustión interna

• Motor de pistón
• Turbina de gas
• Motor a reacción

Combustión externa

• Reactores nucleares como el reactor CANDU, reactor de agua presurizada
• Central eléctrica de carbón
• Central eléctrica de gas natural

Eficiencia

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La eficiencia de un motor es el porcentaje de energía proveida que el motor puede convertir en trabajo útil. La ecuación para esto es η = producción de trabajo / entrada de energía. Los motores de pistón más eficientes funcionan con una eficiencia de aproximadamente el 50%, y una central eléctrica de carbón común funciona con una eficiencia de aproximadamente el 33%. Las centrales eléctricas construidas recientemente están obteniendo una eficiencia de más del 40%.

Los motores térmicos más pequeños, como los de los automóviles, tienen salidas de potencia mecánica, medidas en términos de caballos de fuerza. Los motores térmicos más grandes, como las centrales eléctricas, miden la producción en términos de MW. Por supuesto, la salida se puede medir en cualquier unidad de potencia, como vatios.

La entrada de un motor térmico también es una potencia, a menudo medida en MW. Con una central eléctrica también hay una potencia de salida eléctrica. Para distinguir entre las dos potencias, la potencia térmica (potencia de entrada) se mide en megavatios térmicos (MWt), mientras que la producción de electricidad (la potencia de salida) se mide en megavatios eléctricos (MWe). Para los motores térmicos que proporcionan movimiento en lugar de electricidad, la potencia de salida sería la potencia mecánica.

Cogeneración

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Un motor térmico tiene dos subproductos: trabajo y calor. El propósito de la mayoría de los motores es producir trabajo y el calor se trata simplemente como desperdicio. La cogeneración es el proceso que utiliza el calor residual para cosas útiles. La calefacción de un automóvil funciona mediante cogeneración: extrae el calor residual del motor para calentar el aire que calienta la cabina. Esta es la razón por la que hacer funcionar la calefacción de un automóvil en invierno tiene poco efecto en el rendimiento de la gasolina, pero hacer funcionar el aire acondicionado en verano puede costar aproximadamente entre el 10 y el 20% del rendimiento de la gasolina de un automóvil.

Ver Lecturas Adicionales

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