Máquinas Térmicas

Cuando un sistema parte de un estado inicial, pasa por sucesivos estados intermedios y vuelve al mismo estado de partida, experimenta una transformación cerrada o ciclo. Cuando se completa un ciclo, todas las variables estado (por ejemplo la presión, volumen, temperatura, energía interna) vuelven a tomar el valor inicial. Por eso el calor y el trabajo no son variables de estado. Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor (Q) en trabajo mecánico (W) de manera cíclica. Toda máquina térmica toma calor de una fuente caliente, realiza trabajo y cede calor a una fuente fría. Parte del calor entregado por la fuente caliente (Q1) se transformara en trabajo y parte del calor será cedido a la fuente fría (Q2). De esta manera el trabajo realizado por la máquina será igual a la diferencia entre dichos calores W = Q1 – Q2.

• El rendimiento de una maquina () establece la relación entre el calor suministrado al sistema y el trabajo que el sistema realiza

Máquinas de Vapor:

Son máquinas con motores de combustión externa, que trabajan para convertir la energía térmica (la fuerza del calor) del agua hirviendo en energía de tipo mecánica (movimiento). Se la utilizó como base para varios de los inventos más importantes de la Revolución Industrial, como la locomotora, los barcos de vapor y en las fábricas, entre otras cosas.

Máquina de Carnot (ciclo de Carnot)

Es una máquina ideal que utiliza calor para realizar trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso de expansión y compresión entre dos temperaturas.

El ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca trabajo. Las transformaciones que constituyen el ciclo de Carnot son:

• Expansión isoterma (1-2): al gas absorbe una cantidad de calor Q₁ manteniéndose la temperatura constante.
• Expansión adiabática (2-3): por ser un proceso adiabático no hay transferencia de calor, el gas debe realizar el trabajo elevando el émbolo.
• Compresión isoterma (3-4): el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor Q₂ la fuente fría.
• Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T₁, cerrando el ciclo.

Esquema del ciclo de Carnot en un diagrama PV

Ciclo de Otto

Es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna. Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:

• E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)
• A-B: compresión de los gases (adiabática A→B)
• B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante y la presión se eleva rápidamente (isócora B→C)
• C-D: expansión (parte del ciclo que entrega trabajo) (adiabática C→D)
• D-A: escape (isócora D→A)
• A-E: escape, vaciados de la cámara a presión constante (renovación de la carga) (isobara A→E)

Esquema del ciclo de Otto en un diagrama PV

Descripción del Ciclo en un motor de combustión Interna:

Admisión (1): el pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto constituye una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula de admisión abierta la presión en el interior del cilindro es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión (2): el pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se representa como la curva adiabática A→B.

Combustión: con el pistón en su punto más alto (punto muerto superior PMS), salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C.

Expansión (3): la combustión del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. Por ser un proceso muy rápido se representa por una curva adiabática C→D.

Escape (4): se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón cuando este asciende.

Motor de 4 tiempos y Ciclo de Otto