Motores Térmicos: Tipos, Funcionamiento y Ciclo de Carnot

Máquinas Térmicas: Conceptos Básicos

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor en trabajo mecánico y viceversa. Estas máquinas consumen energía térmica para producir energía mecánica. Algunos ejemplos de generadores de energía mecánica son:

• Motor diésel o de gasolina (combustión interna alternativo)
• Turborreactor (combustión interna rotativo)
• Central térmica (combustión externa rotativo)
• Máquina de vapor (combustión externa alternativo)

Por otro lado, existen máquinas que consumen energía mecánica, como:

• Máquina frigorífica
• Bomba de calor
• Compresores

El Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico reversible que consta de dos transformaciones isotermas y dos adiabáticas.

Fases del Ciclo de Carnot

1. Expansión isoterma (1-2): El fluido absorbe una cantidad de calor Q1 desde el foco caliente a temperatura T1 y realiza un trabajo sobre el exterior, aumentando su volumen de V1 a V2. Al no haber variación de temperatura, la variación de energía interna (ΔU) es cero, y el trabajo realizado es igual a: W = Q1 = n·R·T1·ln(V2/V1).
2. Expansión adiabática (2-3): El sistema alcanza la siguiente isoterma Tf = T3 = T4. No hay intercambio de calor con el exterior.
3. Compresión isoterma (3-4): El gas se comprime isotérmicamente a la temperatura Tf del foco frío, cediendo a este una cantidad de calor Qf. Esto exige un consumo de trabajo exterior.
4. Compresión adiabática (4-1): El gas se comprime adiabáticamente y su temperatura pasa de T4 = Tf al valor inicial T1 = Tc, finalizando el ciclo.

Clasificación de los Motores Térmicos

Los motores térmicos se pueden clasificar según el lugar donde se produce la combustión:

Motores de Combustión Externa

En estos motores, el calor desprendido al quemar el combustible se transmite a un fluido intermedio que produce la energía mecánica a través de una máquina rotativa. Ejemplos: máquinas de vapor y turbinas de vapor.

Motores de Combustión Interna

La combustión se produce en una cámara interna, dentro del propio motor, y los gases generados causan directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor. Ejemplos: motores de explosión, diésel y turbinas de gas.

Formas de Obtener Energía Mecánica

La energía mecánica se puede obtener de diferentes maneras:

• Motores Alternativos: El fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo que suben y bajan.
• Motores Rotativos: El fluido actúa sobre pistones rotatorios o sobre turbinas.
• Motores de Chorro: El fluido es el encargado de producir el empuje por acción-reacción.

Motor de 4 Tiempos

El motor de 4 tiempos realiza un ciclo completo en cuatro fases:

1. Admisión: El pistón, en el punto muerto superior (PMS), crea un vacío en el cilindro, aspirando aire o mezcla gaseosa a través de la válvula de admisión abierta.
2. Compresión: Con la válvula de admisión cerrada y el pistón en el punto muerto inferior (PMI), el pistón sube, comprimiendo la carga.
3. Expansión: Un poco antes de terminar la carrera de compresión, el combustible se inflama, aumentando la presión y la temperatura, provocando la bajada del pistón y generando trabajo.
4. Escape: El pistón está en el PMI, se abre la válvula de escape y el pistón asciende, expulsando los gases generados. Cuando llega al PMS, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre.

Motor de 2 Tiempos

El motor de 2 tiempos realiza un ciclo completo en dos fases:

1. El pistón está en el PMS. Se produce la inflamación, provocando la expansión de los gases hasta que el pistón abre la lumbrera de escape, por donde salen impulsados por la presión. Mientras el pistón baja, comprime la mezcla del cárter y se abre la comunicación cilindro-cárter, provocando la entrada de fluido al cilindro, terminando de expulsar los gases.
2. El pistón comienza a subir desde el PMI, completando la fase de barrido y admisión hasta que se cierran las lumbreras de admisión y escape. Comienza la compresión hasta el PMS, quedando abierta la lumbrera de admisión y entrando fluido en el cárter.

Clasificación Según el Tipo de Ignición

Los motores también se pueden clasificar según el método de ignición:

• Encendido por Chispa: El combustible se mezcla con el aire antes de entrar en el cilindro, ya sea en el carburador o mediante sistemas de inyección. Se produce una chispa en la bujía un momento antes de llegar al PMS, lo que se denomina avance del encendido.
• Encendido por Compresión: En la fase de admisión entra aire que, al ser comprimido, eleva su temperatura. Al inyectar el combustible cerca del PMS, este se inflama directamente sin necesidad de chispa.