Fundamentos de Máquinas Térmicas: Ciclo de Carnot y Tipos de Motores

Rendimiento Máximo: El Ciclo de Carnot

El físico Carnot obtuvo la expresión del rendimiento máximo ($\eta$), la cual es aplicable a cualquier máquina que consuma energía o realice trabajo. La fórmula fundamental es:

$$\eta = \frac{Q_c - Q_f}{Q_c}$$

Donde $Q_c$ es el calor absorbido del foco caliente y $Q_f$ es el calor cedido al foco frío.

Etapas del Ciclo de Carnot

El ciclo ideal se realiza en cuatro etapas reversibles:

1. Expansión Isotérmica: El gas pasa de $M_1$ a $M_2$ a la temperatura del foco caliente ($T_c = T_1 = T_2$).
2. Expansión Adiabática: El gas se expande hasta alcanzar la temperatura del foco frío ($T_f = T_3 = T_4$).
3. Compresión Isotérmica: El gas se comprime a la temperatura $T_f$, cediendo al foco frío una cantidad de calor $Q_f$.
4. Compresión Adiabática: El gas se comprime adiabáticamente, elevando su temperatura de $T_4$ al valor inicial $T_c$, finalizando el ciclo.

El rendimiento de Carnot depende exclusivamente de las temperaturas absolutas de los focos:

$$\eta = 1 - \frac{Q_f}{Q_c} = 1 - \frac{T_f}{T_c}$$

Clasificación de los Motores Térmicos

Un MOTOR TÉRMICO es una máquina cuya misión es transformar energía térmica en energía mecánica directamente utilizable para realizar trabajo.

Clasificación según el Lugar de la Combustión

• Motores de Combustión Externa (MCE): Transmiten el calor desprendido del combustible a un fluido intermedio, el cual produce el trabajo mecánico a través de una máquina alternativa.
• Motores de Combustión Interna (MCI): La combustión se realiza dentro del propio motor, y son los gases generados los que causan el movimiento del motor.

Clasificación según la Forma de Obtener la Energía Mecánica

• Motores Alternativos: El fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimientos lineales (subida y bajada).
• Motores Rotativos: El fluido actúa sobre pistones rotantes o turbinas.
• Motores de Chorro: El fluido es el encargado de producir empuje mediante el principio de acción y reacción.

Motor Alternativo: Descripción y Funcionamiento

El MOTOR ALTERNATIVO transforma la energía térmica en mecánica mediante uno o varios pistones con movimiento lineal dentro de los cilindros.

Ciclo de Cuatro Tiempos (4T)

Este ciclo requiere cuatro carreras del pistón (dos vueltas de cigüeñal):

1er Tiempo: Admisión

El pistón desciende desde el PMS (Punto Muerto Superior), creando una succión que aspira la mezcla de aire y gasolina a través de la válvula de admisión.

2do Tiempo: Compresión

La válvula de admisión se cierra cuando el pistón está en el PMI (Punto Muerto Inferior). El pistón sube comprimiendo la mezcla hasta el PMS.

3er Tiempo: Expansión (Trabajo)

Antes de que finalice su carrera, el gas comprimido se inflama, produciendo trabajo y enviando al pistón hacia abajo.

4to Tiempo: Escape

Una vez que el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape. Cuando el pistón asciende, expulsa los gases quemados. Al llegar al PMS, la válvula de escape se cierra y se abre la de admisión, repitiendo el proceso.

Fenómenos de Distribución (Apertura y Cierre de Válvulas)

Para optimizar el llenado y vaciado del cilindro, las válvulas no abren ni cierran exactamente en los puntos muertos:

• La válvula de admisión se abre antes de que el motor esté en el PMS y se cierra después de haber pasado el PMI (Avance a la Apertura de Admisión, AAA y Retraso al Cierre de Admisión, RCA).
• Lo mismo sucede con la válvula de escape: se abre antes de iniciar el camino del pistón hacia la culata y se cierra después de que el pistón llegue al PMS (Avance a la Apertura del Escape, AAE y Retraso al Cierre del Escape, ECE).

Ciclo de Dos Tiempos (2T)

Este ciclo completa el proceso en una sola vuelta de cigüeñal (dos carreras del pistón):

1ra Carrera (Bajada del Pistón)

• Cuando el pistón está en el PMS, se produce la inflamación; los gases se expanden empujando el pistón hacia abajo.
• El pistón deja abierta la lumbrera de escape por donde salen los gases quemados.
• A medida que baja, comprime la mezcla fresca en el cárter y se abre la comunicación cilindro-cárter. Este fluido entra en el cilindro, barriendo los gases residuales (barrido).

2da Carrera (Subida del Pistón)

El pistón sube desde el PMI hasta que cierra las lumbreras de admisión y escape. Comienza la compresión hasta el PMS. Durante este ascenso, la lumbrera de admisión queda abierta y entra fluido fresco en el cárter para el siguiente ciclo.

Resumen del Ciclo de 2 Tiempos

El ciclo de 2 tiempos combina las funciones de admisión/compresión y expansión/escape en dos movimientos del pistón.