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Motores Térmicos - transformar calor en Trabajo













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 (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.




Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de modo continuo.

Para ello, el motor describe ciclos termodinámicos entre dos focos a diferente temperatura. Del foco a temperatura más elevada (T1), absorbe una cantidad de calor (Q1) Parte de este calor lo transforma en trabajo (W) y el resto (Q2) es cedido al foco a menor temperatura (T2).

W = Q1 - Q2




En la figura inferior podemos ver el esquema de un motor térmico.




Según el 2º Principio, Q2 nunca puede ser cero.

El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.

n = W / Q1


Los corolarios de Carnot marcan cuál es el rendimiento máximo que se puede obtener en un motor térmico.

"Todos los ciclos reversibles que operan entre los mismos focos de temperatura tienen el mismo rendimiento, que además es el máximo."

El teorema de Carnot relaciona el rendimiento máximo del motor térmico reversible con la temperatura de los focos:

n = 1 - |Q2| / Q1


Carnot diseñó un ciclo termodinámico reversible y que, por lo tanto, poseía el máximo rendimiento que puede tener una máquina térmica.

n = 1 - T2 / T1


El ciclo de Carnot esta formado por 4 etapas. Dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones adiabáticas. En el diagrama (presión - volumen) inferior podemos observar el ciclo de Carnot.





Además del ciclo de Carnot existen otros ciclos que poseen el rendimiento máximo. Entre ellos, los más conocidos son:

1. El ciclo de Ericsson: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobaras. En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Ericsson.




2. El ciclo de Stirling: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones a volumen constante (isocoras). En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Stirling.




3. El ciclo de Bouasse: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones lineales. En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Bouasse.






MÁQUINAS TÉRMICAS INVERSAS


Con las máquinas inversas lo que conseguimos es calentar o enfriar una zona a expensas de consumir un trabajo. El calor (Q2) que absorbe de uno de los focos gracias al trabajo (W) aportado, es cedido, junto con éste trabajo, al segundo foco térmico.

Q1 = Q2 + W


En esta figura podemos ver el esquema de una máquina inversa.




Si el efecto útil perseguido es el calor cedido tenemos una Bomba de Calor. La eficiencia de una bomba de calor es la relación existente entre el calor cedido y el trabajo aportado.

€(BC) = Q1 / W


Si el efecto útil perseguido es el calor absorbido tenemos una Máquina Frigorífica. La eficiencia de una máquina frigorífica es la relación entre el calor absorbido y el trabajo aportado.

€(MF) = Q2 / W













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