Motores Térmicos y Máquinas Frigoríficas: Funcionamiento y Tipos

¿Qué es una Máquina Térmica?

Llamamos máquina térmica al conjunto de piezas o elementos que, actuando juntos, nos permite aprovechar la energía para realizar un trabajo y obtener un beneficio. Las máquinas térmicas pueden funcionar de tres formas:

• Como motores térmicos: Transforman la energía calorífica obtenida por combustión en trabajo útil (Q → W). Los motores térmicos pueden ser de combustión externa (si la combustión del combustible se realiza fuera del motor, como en la máquina de vapor) o de combustión interna (como en el caso de los motores de los automóviles).
• Como máquinas frigoríficas: Funcionan en sentido inverso a los motores térmicos. Utilizan energía mecánica externa para conseguir energía calorífica (W → Q) con la que producir una disminución de temperatura en un entorno (como en los frigoríficos y las máquinas de aire acondicionado).
• Como bombas de calor: También utilizan la energía mecánica externa para conseguir energía calorífica (W → Q) con la que calentar o enfriar estancias.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo ideal que nos indica el rendimiento o la eficiencia máximos que pueden tener un motor térmico o una máquina frigorífica, respectivamente.

Motores Térmicos

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 y un sumidero de calor.

Motor de Combustión Externa

Estos motores térmicos generalmente se denominan motores de combustión externa porque la combustión se produce fuera del motor.

• Funcionamiento de la Máquina de Vapor: El agua se calienta en la caldera y se convierte en vapor. La presión del vapor empuja un émbolo que está conectado a una biela que hace girar un volante. El vapor sale a una temperatura menor y se enfría aún más a su paso por el condensador para ser bombeado de nuevo hasta la caldera.
• Funcionamiento de la Turbina de Vapor: Se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas, y este vapor hace girar unos álabes unidos a un eje rotor. A la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presión y una temperatura inferior.

Motor de Combustión Interna

Es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Hay dos tipos de motores: los rotativos y los alternativos. Los rotativos ya están en desuso.

Motores Alternativos

Aprovechan la energía almacenada en un fluido, que se introduce en condiciones adecuadas en la máquina, y la transforman en energía mecánica.

Motores de Combustión Interna Alternativos

• Motor de Explosión o Motor Otto: El motor de explosión es el que usa gasolina. Este motor mezcla el aire y la gasolina, y los quema para crear una explosión a través de una chispa.
• Motor de Encendido por Compresión (MEC) o Motor Diésel: El motor diésel utiliza encendido por compresión en lugar de encendido por chispa. Debido a la alta temperatura desarrollada durante la compresión adiabática, el combustible se enciende espontáneamente a medida que se inyecta. Por lo tanto, no se necesitan bujías.

Ciclo de Funcionamiento de un Motor de 4 Tiempos

1. Admisión: La válvula de admisión se abre y entra la mezcla de aire y combustible en el cilindro. La mezcla empuja y baja el pistón.
2. Compresión: Las válvulas de admisión y de escape están cerradas. Sube el pistón y se comprime adiabáticamente la mezcla de combustible y aire.
3. Explosión-Expansión: Salta una chispa de la bujía y la mezcla de combustible y aire explota. Se liberan gases que se expanden y hacen que baje el pistón.
4. Escape: Se abre la válvula de escape, sube el pistón y se expulsan los gases de la combustión al exterior.

Diferencias entre Motor Diésel y Motor Otto (Gasolina)

En un motor de gasolina, la mezcla de aire y combustible se comprime y luego se enciende mediante una chispa de bujía. En cambio, en un motor diésel, el aire se comprime primero, y luego se inyecta el combustible diésel para mezclarse con dicho aire comprimido.

Ciclo de Funcionamiento de un Motor de 2 Tiempos (Gasolina)

Solo se necesita una carrera del pistón para completar el ciclo de combustión. Hay una carrera de compresión y luego una explosión de combustible comprimido. A la vuelta, el combustible fresco que entra empuja los gases de escape fuera del cilindro. Las bujías se encienden en cada revolución.

Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor

• Funcionamiento de una Máquina Frigorífica: Funciona con un fluido refrigerante en un circuito cerrado que, en el lugar adecuado, disminuyendo la presión, pasará de líquido a vapor, absorbiendo calor del medio exterior y, por tanto, refrigerando el medio que lo rodea.
• Funcionamiento de una Bomba de Calor: El funcionamiento de una bomba de calor es análogo al de una máquina frigorífica. Extrae calor de una zona que se encuentra a menor temperatura y lo cede a la zona que presenta una temperatura mayor.