¿Qué es un motor térmico?

Un motor térmico es un dispositivo utilizado para convertir energía térmica, o calor, en trabajo mecánico. Esto se hace cuando el calor, que se origina en una fuente caliente, atraviesa el motor y entra en un sumidero frío. El sumidero frío es la parte de menor temperatura de un ciclo termodinámico, como la unidad de condensación que se encuentra en el ciclo Rankine, o vapor. Hay muchos tipos diferentes de motores de calor, cada uno de los cuales tiene su propio ciclo específico. Algunos ejemplos de motores térmicos incluirían motores de vapor y de combustión interna, junto con motores Stirling y turbinas de gas.

Comúnmente, un motor térmico se confundirá con el ciclo termodinámico que tiene lugar dentro del propio motor. Esto se debe principalmente a que los motores térmicos a menudo se clasifican por sus ciclos termodinámicos específicos. El dispositivo en sí que convierte la energía térmica en trabajo se conoce como el "motor", mientras que el modelo termodinámico que se aplica al motor es el "ciclo". Debido a esto, las máquinas de vapor no se conocen como motores Rankine.

Un motor térmico eficiente intentará imitar su ciclo respectivo lo mejor posible. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y el sumidero frío dentro del ciclo, más eficiente será el motor. Por ejemplo, una máquina de vapor eficiente requiere una fuente de calor de alta temperatura y un disipador de frío de baja temperatura. En el ciclo de Rankine, una caldera utiliza un quemador de alta temperatura para convertir el agua en vapor. Este vapor atraviesa el motor y luego se condensa de nuevo en agua a través de un condensador de baja temperatura.

Cuanto más frío esté el condensador, más vapor se volverá a condensar en agua. Esto se debe a que los condensadores están hechos para revertir efectivamente el proceso de saturación llevado a cabo por la caldera. Hacerlo ayudará a lograr mayores tasas de condensación; cuanto mayor sea la tasa, más agua será devuelta. Esto ayuda a aumentar la eficiencia general del ciclo de vapor.

Si bien la eficiencia del motor térmico puede ser altamente optimizada a través de una gran diferencia de temperaturas entre la fuente caliente y el disipador frío, todavía es limitada. Esto se debe a que la temperatura del sumidero frío depende de la temperatura que lo rodea, que en algunas situaciones, no se puede enfriar a las condiciones ideales. Debido a esto, la eficiencia de un motor térmico se limita a los límites de temperatura del sumidero frío. Una solución común a esto es aumentar la temperatura de la fuente caliente; Sin embargo, incluso esto se limita a la falta de resistencia del material a altas temperaturas.

La eficiencia del motor térmico varía según el motor y el ciclo específicos. La eficiencia térmica oscila entre el 3% y alrededor del 70%, con motores de automóviles que alcanzan una eficiencia térmica en algún lugar alrededor del 25%. Los motores térmicos más eficientes se encuentran en las grandes centrales eléctricas, donde se utilizan turbinas de gas y vapor para generar electricidad.