Los motores térmicos son sistemas fundamentales en la ingeniería moderna, diseñados para convertir la energía térmica en energía mecánica.
Esta conversión se basa en los principios de la termodinámica y se logra a través de la transferencia de calor desde una fuente caliente hacia un sumidero frío. Su aplicación es extensa, desde vehículos hasta centrales eléctricas.
Definición, ¿Qué es un motor térmico?
Un motor térmico es un tipo de máquina que utiliza la energía térmica generada por la combustión de combustibles como gasolina, diésel, o incluso recursos naturales como el calor solar, para producir trabajo mecánico.
Este proceso implica la expansión de un fluido, como un gas o un líquido, que genera movimiento.
¿Cómo funciona un motor térmico?
Existen muchos tipos de motores térmicos y cada uno de ellos tiene un funcionamiento particular. Sin embargo, todos ellos comparten algunas características comunes:
- Absorción de calor: El motor recibe energía térmica de una fuente de alta temperatura. Esta fuente puede provenir de la combustión de un combustible (como en motores de combustión interna), del calentamiento de vapor (como en motores de vapor) o incluso de procesos naturales (como en motores Stirling).
- Transformación en trabajo: Al absorber calor, el fluido de trabajo (como aire, gas, vapor o una mezcla de ellos) aumenta su energía interna. Este aumento provoca su expansión, que se aprovecha para realizar trabajo mecánico, como empujar un pistón, hacer girar una turbina o mover un eje.
- Rechazo de calor: Tras realizar el trabajo, el fluido pierde parte de su energía térmica hacia un sumidero de baja temperatura. Esto permite que el motor vuelva a su estado inicial y el ciclo pueda repetirse.
Los motores térmicos funcionan mediante ciclos repetitivos, que pueden ser cerrados (como el ciclo de Carnot o Stirling) o abiertos (como los ciclos Otto y Diesel).
En todos los casos, la clave está en la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y el sumidero frío, ya que esta diferencia es la que impulsa el proceso.
Tipos de motores térmicos
Un motor térmico se puede clasificar de muchas formas distintas. En una de estas clasificaciones se puede distinguir entre:
- Motores de combustión interna: La combustión se produce en una cámara interna del propio motor, donde se generan los gases que producen la expansión que causa el trabajo. Por ejemplo, los motores de los automóviles.
- Motores de combustión externa: Son aquellos en los que la combustión tiene lugar fuera del motor. El calor desprendido es transmitido a un fluido intermedio. Este flujo intermedio produce la energía mecánica. Por ejemplo, la máquina de vapor, donde el fluido intermedio es el vapor de agua y el lugar de la combustión es la caldera, que está fuera del motor. Otro ejemplo serían los motores térmicos de las centrales nucleares que utilizan energía nuclear para convertirla en energía mecánica.
Emisiones de los motores térmicos
Las emisiones de los motores térmicos son gases contaminantes que se producen como resultado de la combustión de combustibles fósiles, como la gasolina, el diésel o el gas natural. Estos motores son comúnmente utilizados en vehículos, maquinaria industrial y equipos de generación de energía.
Las principales emisiones de los motores térmicos incluyen:
- Dióxido de carbono (CO2): Es el principal gas de efecto invernadero emitido por los motores térmicos, contribuyendo al cambio climático. El CO2 se genera por la quema de combustibles fósiles.
- Óxidos de nitrógeno (NOx): Incluyen el óxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2), que son responsables de la formación de smog y pueden causar problemas respiratorios. Los NOx se producen a altas temperaturas de combustión.
- Monóxido de carbono (CO): Es un gas tóxico que se genera cuando la combustión es incompleta, lo que ocurre con mayor frecuencia en condiciones de poco oxígeno. El CO puede ser muy peligroso para la salud humana.
- Hidrocarburos no quemados (HC): Son productos de la combustión incompleta y pueden contribuir a la formación de ozono a nivel del suelo, lo cual es perjudicial para la salud y el medio ambiente.
- Partículas (PM): Son pequeñas partículas sólidas o líquidas que se producen en los motores diésel, principalmente. Estas partículas pueden ser respiradas y causar graves problemas de salud, especialmente en los pulmones.
Ejemplos de motores funcionando con energía calorífica
Algunos ejemplos de motores térmicos son los siguientes:
- Motor diésel: Utilizado en camiones, autobuses, barcos y algunos automóviles, funciona mediante la combustión del diésel para generar trabajo mecánico.
- Turbinas a gas: Comúnmente usadas en aviones y plantas de generación eléctrica, funcionan quemando gas natural o combustibles líquidos.
- Motor Stirling: Un motor térmico de pistón que funciona mediante la expansión y compresión de un gas, utilizado en aplicaciones como generadores de energía pequeños y algunas instalaciones solares.
- Motor a vapor: Utilizado históricamente en locomotoras y barcos, se basa en la expansión de vapor de agua para mover pistones o turbinas.
- Ciclo Rankine: Usado en plantas termoeléctricas, donde el vapor se expande en una turbina para generar electricidad.
Diferencias entre un motor y una máquina térmica
A menudo el concepto de motor térmico se confunde con el de máquina térmica. Estos términos están relacionados pero no són exactamente lo mismo.
Una máquina térmica es un dispositivo o sistema que trabaja estableciendo intercambios de calor y de trabajo con su entorno.
Para conseguirlo, la máquina transforma una sustancia mediante un proceso cíclico o una secuencia de operaciones. Al final de cada ciclo la sustancia devuelve a su estado original y comienza un nuevo ciclo.
Una máquina térmica puede funcionar como motor, si convierte el calor en trabajo, o como refrigerador o bomba de calor si convierte el trabajo en calor.