1. Introducción a la Termodinámica

Definición: “La termodinámica es la rama de la Física que se ocupa de la energía en forma de calor, de sus transformaciones en energía mecánica y de su capacidad para producir trabajo”.

Los sistemas que son objeto del estudio de la Termodinámica se denominan sistemas termodinámicos. Un sistema termodinámico es cualquier objeto, cantidad de materia o región del espacio que se selecciona y se delimita de forma imaginaria para estudiar los cambios o fenómenos energéticos que tienen lugar en él a escala macroscópica.

El espacio que no forma parte del sistema pero que puede influir sobre él se denomina entorno o medio. El conjunto formado por un sistema y su entorno se denomina universo.

En función de las relaciones que se establezcan entre un sistema y su entorno distinguiremos entre sistemas termodinámicos aislados, cerrados o abiertos.

• Un sistema termodinámico está aislado cuando no puede intercambiar materia ni energía con su entorno.
• Un sistema termodinámico es cerrado cuando sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Este intercambio de energía sólo se puede producir bajo dos formas: calor y trabajo. Ej. Reloj de cuerda.
• Un sistema termodinámico es abierto cuando puede intercambiar materia y energía con su entorno. Ej. Cualquier motor térmico.

El estado termodinámico de un sistema macroscópico es la situación en que se encuentra a nivel interno y viene representado por la totalidad de las propiedades termodinámicas macroscópicas que se asocian al propio sistema. Estas propiedades pueden determinarse por observación directa o mediante algún instrumento de medida.

En un sistema termodinámico simple, que no se encuentre influenciado por reacciones químicas o campos externos, las propiedades termodinámicas coinciden, de forma ideal, con las tres variables termodinámicas de estado que lo caracterizan: la presión “p”, el volumen “V” y la temperatura “T”.

El Calor y la Temperatura

El calor es una forma de energía que fluye o se transfiere entre dos cuerpos o sistemas, en términos de ganancia o cesión, a causa únicamente de su diferencia de temperatura. El calor es, pues, una forma de energía en tránsito que fluye a través de fenómenos de conducción, convección y radiación, debido a los choques entre las moléculas del cuerpo y las del entorno que lo rodea hasta alcanzar el equilibrio térmico.

En todo intercambio de calor existen dos focos de temperatura diferentes denominados foco frío y foco caliente.

La temperatura es una magnitud que representa la medida de la energía cinética media de las moléculas de un sistema a escala microscópica. Un incremento de la temperatura supone siempre un aumento en la intensidad del movimiento molecular.

2. Principio Cero de la Termodinámica

Enunciado: “Si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí”.

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad que se puede medir, y a la que se le puede asignar un valor numérico definido. Esta propiedad compartida es la temperatura.

3. Primer Principio de la Termodinámica

Además de calor, los sistemas termodinámicos pueden intercambiar energía en forma de trabajo.

3.1. Trabajo Termodinámico

Cuando un sistema sufre una transformación, ésta puede provocar cambios en su entorno. Si tales cambios implican el desplazamiento o la variación de las fuerzas que ejerce el entorno sobre la frontera entre el sistema y el entorno o viceversa, entonces se produce un trabajo.

Dependiendo del origen de las fuerzas aplicadas al sistema, distinguiremos entre trabajo mecánico variable y trabajo termodinámico variable.

Trabajo Mecánico Variable

Supongamos que disponemos de una masa de gas ideal dentro de un cilindro delimitado por un émbolo o pistón móvil de sección S:

3.2. Energía Interna: Expresión del Primer Principio

La energía interna es la energía interior de la materia a escala molecular y se encuentra asociada a la energía de las partículas que constituyen el sistema y a sus interacciones a corta distancia. Está formada por la suma de la energía cinética, debida al movimiento, y la energía potencial, consecuencia de las interacciones de las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas que constituyen el sistema.

Como, en un gas ideal, las moléculas solamente tienen energía cinética y los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna depende sólo de la temperatura.

La energía interna si es función de estado, se identifica con la letra U y se mide en julios en el SI. No es posible determinar su valor pero si es posible cuantificar sus variaciones, a través de la siguiente expresión:

Uf – Ui = ∆U = Q – W.

Esta expresión significa que el cambio total de energía interna de un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema menos el trabajo efectuado por el sistema.

Esta ecuación se conoce como Primer Principio de la Termodinámica o Principio de Conservación de la Energía del sistema y se enuncia del siguiente modo:

La energía total de cualquier sistema aislado se conserva.

Las consecuencias de este principio son:

• Las formas en que un sistema puede intercambiar energía con el modo exterior son dos: trabajo y calor.
• Si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Cuando Q es positivo, el entorno cede calor al sistema y éste aumenta su temperatura: se incrementa la energía interna del sistema. Cuando w es positivo, el sistema realiza trabajo contra el entorno (expansión) y disminuye la energía interna del sistema.
• Si bien el calor y el trabajo dependen de la trayectoria seguida en el cambio de estado, la energía interna, que es combinación de ambos, es función de estado, es decir, depende sólo de las coordenadas inicial y final.

Si esto no fuera así, se podría obtener energía de un sistema desde un estado a otro a través de diferentes trayectorias o caminos, creando energía de la nada, es decir, el móvil perpetuo de primera especie.

3.4. Ciclos Termodinámicos Directo e Inverso

Un ciclo termodinámico directo es el conjunto de transformaciones termodinámicas de un sistema que recupera las condiciones iniciales después de haber realizado un trabajo sobre otros sistemas. Supone que el sistema es un fluido o gas ideal perfecto, que funciona en una máquina perfecta sin ningún tipo de pérdidas. Es característico de los motores térmicos.

El ciclo termodinámico inverso persigue el efecto contrario al ciclo termodinámico directo de obtención de trabajo: se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, es decir, en el sentido no espontáneo del proceso. Es característico de las máquinas de aire acondicionado o refrigeración y las bombas de calor.

4. Segundo Principio de la Termodinámica

4.1. Relación entre Calor y Trabajo

La conversión de trabajo a calor es directa y espontánea con la participación de un único foco y la conversión de calor a trabajo necesita la participación de al menos dos focos térmicos.

4.2. Entropía

Es la medida de la proximidad de un sistema al equilibrio o del grado de desorden (espacial y térmico) del sistema.

4.3. Expresión del Segundo Principio

Entre los enunciados más conocidos para el segundo principio de la termodinámica tenemos dos: el de Clausius y el de Kelvin-Planck.

CLAUSIUS: Es imposible construir una máquina cuyo único resultado sea transferir calor, de forma continua y cíclica, de un cuerpo más frío a otro más caliente.

KELVIN-PLANCK: Es imposible construir una máquina cuyo único resultado sea la absorción cíclica de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo.

Una máquina que realizara trabajo no cumpliendo el segundo principio se denomina móvil perpetuo de segunda especie, es decir, podría obtener energía continuamente de un entorno o foco frío para realizar trabajo en un entorno o foco caliente sin coste alguno o sin producir un incremento de entropía.

4.4. Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso es reversible si las transformaciones que tienen lugar en él se realizan mediante sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno, de modo que es posible devolver al sistema y a su entorno el estado inicial por el mismo camino. En los procesos reversibles la entropía se mantiene constante. Lógicamente, el calor intercambiado de forma reversible o ideal es siempre mayor que el calor intercambiado en los procesos reales. ∆S = 0.

Si un proceso no cumple estas condiciones se llama irreversible, en este caso ∆S > 0. En los procesos reversibles se produce siempre un aumento de entropía.

El estudio de los procesos irreversibles es importante porque, en la Naturaleza, todos lo son, hay un sentido en el que el proceso se realiza espontáneamente, pero no en el contrario, que se denomina antinatural, porque en él se cumpliría que ∆S < 0, lo que contradice el Segundo Principio de la Termodinámica.

5. Tercer Principio de la Termodinámica

Este principio surge del estudio del comportamiento termodinámico de los sistemas a bajas temperaturas. Se ha comprobado experimentalmente que, cuanto más se enfría un sistema, más difícil es seguir enfriándolo.

0 K = – 273,15 ºC CERO ABSOLUTO.

Partiendo de los hechos, el tercer principio se enuncia así: el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de procesos físicos. Es posible acercarse indefinidamente a él, pero nunca se puede llegar a alcanzar.

Cuando nos aproximamos al cero absoluto, la entropía del sistema se hace independiente de las variables que definen su estado. Esto supone que la entropía de un cristal o una sustancia pura en equilibrio termodinámico es nula en el cero absoluto.

6. Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que permite a un sistema realizar un ciclo termodinámico directo o inverso entre dos focos térmicos a diferente temperatura, y en el que se producen, como mínimo, dos transformaciones termodinámicas diferentes que pueden repetirse.

Tipos:

• MÁQUINA TÉRMICA IDEAL DE CARNOT. Es aquella que realiza un ciclo termodinámico ideal en el que todo el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema. Es un ciclo teórico que se cierra completamente sin ningún tipo de pérdida de energía.
• MÁQUINA TÉRMICA DIRECTA. Aquellas que completan un ciclo termodinámico directo y obtienen un trabajo mecánico útil a partir de dos o más focos a diferentes temperaturas: un foco caliente y un foco frío. Es el caso de los motores térmicos de los vehículos.
• MÁQUINAS TÉRMICAS INVERSAS. Aquellas que completan un ciclo termodinámico inverso y obtienen un gradiente térmico mayor que el que ya existía originalmente, a partir de un foco frío y del trabajo aportado al sistema. Es el caso de las máquinas frigoríficas y la bomba de calor.

6.1. Máquina Térmica Ideal de Carnot

El ciclo de Carnot, que corresponde a la máquina de Carnot, está constituido por dos transformaciones isotermas reversibles, correspondientes a los focos frío y caliente, y dos transformaciones adiabáticas, también reversibles.

Durante las transformaciones isotermas el sistema absorbe y cede calor a temperatura constante.

Este ciclo ideal, que describe un sistema formado por un gas ideal sometido a un proceso de expansión-compresión, comprende cuatro etapas reversibles:

1. 1-2: EXPANSIÓN ISOTERMA: El gas absorbe una cantidad de calor Q1 del foco caliente, a temperatura T1, realiza un trabajo sobre el exterior y aumenta su volumen de V1 a V2.
2. 2-3: EXPANSIÓN ADIABÁTICA: La temperatura del gas desciende de T1 a T2, realiza un trabajo sobre el exterior, y aumenta de nuevo su volumen de V2 a V3.
3. 3-4: COMPRESIÓN ISOTERMA: El gas cede una cantidad de calor Q2 al foco frío, a temperatura T2, recibe un trabajo del exterior y disminuye su volumen de V3 a V4.
4. 4-1: COMPRESIÓN ADIABÁTICA: La temperatura del gas aumenta de T2 a T1, recibe un trabajo exterior, y disminuye de nuevo su volumen de V4 a V1. Esta fase cierra el ciclo.

Es decir, el trabajo total de una máquina de Carnot equivale al área delimitada por las cuatro transformaciones termodinámicas. Lo mismo sucede con el calor neto total intercambiado.

Primer Teorema de Carnot

El rendimiento de una máquina de Carnot que funcione entre dos focos térmicos es superior al de cualquier máquina real funcionando entre los mismos puntos.

Segundo Teorema de Carnot

Cualquier máquina reversible que funcione entre los mismos focos tiene el mismo rendimiento sea cual sea el fluido con el que trabaje.

Para una máquina real, se concluye que es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme íntegramente el calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente, por lo que su rendimiento siempre será menor que la unidad (entre el 30 y el 40 %). Las pérdidas de energía se deben a fenómenos de rozamiento por fricción, conducción o radiación, entre otras.

6.2. Máquinas Térmicas Directas e Inversas

Máquinas Térmicas Directas

El enunciado de KELVIN-PLANCK se puede formular: Es imposible que una máquina térmica extraiga calor de un foco caliente y lo convierta íntegramente en trabajo sin que ceda parte de ese calor a otro foco de menor temperatura o foco frío.

Máquinas Térmicas Inversas

El enunciado de Clausius, aplicado a una máquina inversa térmica, se puede formular del siguiente modo: Es imposible que una máquina térmica extraiga calor de un foco frío y lo ceda todo a un foco caliente, sin recibir un trabajo mecánico adicional desde el exterior.

7. Motores Térmicos

Introducción

Tipos de máquinas:

• Motrices. Son las encargadas de transferir la energía que se obtiene de las fuentes de energía en energía mecánica.
• Operadoras. Utilizan la energía que le suministran las máquinas motrices para producir un efecto determinado.

Motores

Definición: Es toda máquina que transforma cualquier tipo de energía en energía mecánica.

Según el elemento que proporciona o suministra la energía, los motores se clasifican en tres grandes grupos: los que utilizan la energía de un fluido (motores eólicos, hidráulicos, aire comprimido, térmicos), los que emplean la energía de un sólido (motores de pesas o de resorte y el volante de inercia) y los que usan formas especiales de energía (sobresalen los motores eléctricos).

El Motor Térmico

Definición: Un motor térmico es aquel que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica aportada por un fluido.

Principio Básico de Funcionamiento

El funcionamiento del motor se basa en un proceso o ciclo cerrado, es decir, al finalizar un ciclo de trabajo, el motor vuelve a las condiciones iniciales o de partida.

El proceso que se lleva a cabo es el siguiente:

• En cierto momento de su funcionamiento, el motor recibe una determinada cantidad de calor (Q1, calor aportado), medido en cal o Kcal, y posteriormente cede o se le sustrae otra cantidad de calor (Q2, calor cedido) menor que Q1.
• Como el calor aportado, Q1, es mayor que el cedido o sustraído, Q2, se produce desaparición de una cantidad de energía térmica que se transforma en trabajo mecánico, W.

Clasificación de los Motores Térmicos

El criterio de clasificación utilizado generalmente es el del proceso de combustión empleado, teniendo dos tipos de motores: motores de combustión externa y de combustión interna.

• Combustión externa. Ésta se produce en el exterior al motor propiamente dicho.
• Combustión interna. Ésta se produce en el interior del motor. En este grupo distinguimos dos tipos: motores de encendido por compresión (MEC), en éstos el proceso de combustión se produce por autoinflamación de combustible provocada por la elevada temperatura ocasionada por la compresión, sin que medie causa externa. En este grupo se encuentran los motores diesel. El segundo tipo es el de los motores de encendido provocado (MEP), el proceso de combustión se inicia por una causa externa, generalmente una chispa, y se propaga por toda la cámara de combustión. Estos motores se denominan de explosión.

En este tipo de motores, el ciclo termodinámico se puede realizar en cuatro carreras o en sólo dos. Distinguiremos, por tanto, los motores de cuatro tiempos y los de dos.

• Los motores de cuatro tiempos se llaman así porque se necesitan cuatro etapas para desarrollar el proceso o ciclo completo: admisión, compresión, expansión y escape. Cada una de estas etapas corresponde a una carrera del pistón.
• En el caso de los motores de dos tiempos, el ciclo se lleva a cabo en dos etapas: admisión-compresión, y expansión-escape. Los motores de los ciclomotores suelen ser de este tipo.

El Motor de Explosión de Cuatro Tiempos

Es un motor de encendido provocado (MEP) y con un proceso de cuatro tiempos.

El proceso de funcionamiento consta de cuatro etapas o carreras: admisión, compresión, expansión y escape.

Admisión

El pistón recorre la primera carrera desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI).

Se produce la entrada de la mezcla por la válvula de admisión. En esta carrera el cigüeñal a girado 180º, en el momento de finalizar dicha carrera se produce el cierre de la válvula de admisión.

Compresión

El pistón se desplaza desde el PMI al PMS de la carrera. Al iniciarse la etapa de compresión las válvulas de admisión y escape se cierran y la mezcla se comprime en el interior del cilindro. Esta es la segunda carrera y el giro que se produce es de 180º. La mezcla de combustible y aire está comprimida al máximo.

Expansión

Salta la chispa, y la mezcla se inflama. En ese momento se inicia la tercera carrera del pistón desde el PMS al PMI. Los gases se expanden y el movimiento del pistón arrastra al cigüeñal, es la única etapa en la que se realiza trabajo útil, en el resto de las etapas el pistón se desplaza por inercia. Al terminar la carrera se han girado otros 180º y en ese instante se abre la válvula de escape.

Escape

Es la cuarta carrera del ciclo, y el pistón en este caso se desplaza desde el PMI al PMS. La válvula de escape permanece abierta para permitir la salida de los gases quemados. Al llegar al PMS, concluye la cuarta carrera, asociado a un nuevo giro de 180º. La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que está en disposición de iniciar un nuevo ciclo con estas mismas etapas.

Ciclo Teórico del Motor

Para interpretar correctamente el ciclo teórico del motor de cuatro tiempos, hemos de tener en cuenta tres variables: la presión, el volumen y la temperatura absoluta de la mezcla de combustible y aire en el interior del cilindro. Utilizaremos el diagrama p-V.

• Durante la carrera de admisión, el sistema evoluciona desde un punto A al punto B, como proceso isobárico. La mezcla aspirada se encuentra a la presión exterior p1 y a la temperatura exterior absoluta T1. El volumen del cilindro aumenta de V1 a V2.
• Durante la carrera de compresión adiabática, el sistema evoluciona desde B hasta C. La compresión de la mezcla hace disminuir su volumen desde V2 hasta V1. En consecuencia la presión aumenta desde p1 hasta p2 y la temperatura absoluta pasa de T1 hasta T2.
• A continuación se origina el encendido de la mezcla combustible. El sistema evoluciona desde el punto C hasta D. la combustión hace que la presión aumente bruscamente desde p2 hasta p3 y la temperatura pasa desde T2 a T3, con lo que se produce una cesión de Q1 kilocalorías del combustible al motor (calentamiento isocórico).
• Durante la carrera de expansión adiabática, el sistema pasa del punto D al E. Los gases de la combustión se expanden en el cilindro y pasan a ocupar el volumen V2, por lo que la presión desciende de p3 a p4 y la temperatura disminuye también de T3 a T4.
• En el punto E se abre la válvula de escape y el sistema evoluciona desde E hasta B. La presión y la temperatura de los gases descienden hasta sus valores iniciales, p1 y T1. El motor cede al exterior Q2 kilocalorías (enfriamiento isocórico).
• Durante la carrera de escape, el sistema pasa del punto B al punto A con lo que se cierra el ciclo. Los residuos de la combustión son expulsados al exterior y el volumen del cilindro disminuye desde V2 a V1. Nos encontramos en el punto de partida y podemos volver a comenzar el ciclo.

El Motor de Explosión de Dos Tiempos

Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendido provocado (MEP) y con un proceso de dos tiempos o carreras.

Como elementos diferenciados con el motor de cuatro tiempos tenemos los siguientes componentes. En lugar de válvulas de admisión y escape tiene las lumbreras de admisión y de escape. Además, hay otra abertura que comunica el cárter con el cilindro y que recibe el nombre de lumbrera de transferencia (Lt). Estas lumbreras quedan abiertas y cerradas por el movimiento del pistón en el interior del cilindro.

La mezcla de combustible y aire no entra directamente en el cilindro, sino en el cárter, que actúa como una bomba que aspira la mezcla a través de la lumbrera de admisión (La) y la transfiere al cilindro mediante la lumbrera de transferencia (Lt).

Funcionamiento

1ª Etapa. Admisión-Compresión

El pistón asciende en su primera carrera desde el PMI hasta el PMS, arrastrado por el cigüeñal, que gira 180º. En este movimiento se comprime la mezcla que está en el cilindro.

A la vez, descubre la lumbrera de admisión para que una cierta cantidad de mezcla entre al cárter. La lumbrera de escape permanece cerrada. Al llegar el pistón al PMS salta la chispa procedente de la bujía y se produce la combustión de la mezcla.

2ª Etapa. Expansión-Escape

Al producirse la explosión de la mezcla, se ejerce una presión sobre el pistón, que desciende bruscamente en su segunda carrera arrastrando el cigüeñal, que gira otros 180º. La lumbrera de escape (Le) comienza a descubrirse y los gases quemados pueden salir al exterior.

Inmediatamente se descubre la lumbrera de transferencia y la mezcla nueva procedente del cárter entra en el cilindro y desaloja el resto de los gases quemados. El pistón se encuentra en el PMI y puede comenzar a ascender, arrastrado por la inercia para comenzar un nuevo ciclo.

Ventajas e Inconvenientes

Comparando con un motor de cuatro tiempos, el de dos tiempos presenta las siguientes ventajas:

• Sencillez en la construcción, pues carece de árbol de levas y, en consecuencia de la correspondiente correa de la distribución.
• Supresión de las válvulas que siempre están sujetas a desgaste.
• Mayor potencia, ya que el motor de dos tiempos efectúa trabajo útil en cada vuelta del cigüeñal, mientras que en el de cuatro tiempos lo realiza cada dos.
• Mejor funcionamiento de los órganos de transmisión.

Sin embargo, también tiene algunos inconvenientes, tales como:

• Menor rendimiento mecánico.
• Mayor temperatura de funcionamiento, ya que la combustión de la mezcla se produce con mayor frecuencia.
• Mayor desgaste de sus órganos.
• Mayores niveles de contaminación generados por la combustión de los aditivos de la mezcla.

Aplicaciones

El motor de explosión de dos tiempos tiene dos campos de aplicación fundamentales:

• Pequeños motores para lanchas fueraborda, motocicletas y auxiliares.
• Grandes motores para embarcaciones caracterizados por una gran potencia.

El Motor Diesel

Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendido por compresión (MEC) y con un proceso que puede funcionar en dos o cuatro tiempos.

La diferencia fundamental radica en que carece de bujías, y en su lugar están los inyectores de combustible, que son los encargados de introducir la mezcla en el cilindro en el momento preciso y en la cantidad adecuada. La cámara de combustión suele estar labrada en la parte superior.

Analizamos la versión de cuatro tiempos que es la más usada.

Admisión

El pistón desciende desde el PMS, arrastrado por la inercia del movimiento. Como consecuencia se produce una depresión en el interior del cilindro que permite que se llene sólo de aire a través de la válvula de admisión, que permanece abierta.

Cuando el pistón llega al PMI, concluye la primera carrera y el sistema ha girado 180º, en este momento, la válvula de admisión se cierra.

Compresión

El pistón asciende desde el PMI hasta el PMS. Las dos válvulas permanecen cerradas y el aire se comprime en el interior del cilindro a una elevada presión, por lo que adquiere una gran temperatura.

Cuando el pistón está llegando al PMS, se inyecta el combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión. Al contacto con el aire caliente, el combustible se autoinflama y se produce la combustión. En este instante concluye la segunda carrera.

Expansión

Las dos válvulas siguen cerradas y el pistón es obligado a desplazarse bruscamente hasta el PMI por efecto de la presión ejercida por los productos de la combustión. Los gases se expanden y el movimiento del pistón arrastra al cigüeñal, que es el que realiza el trabajo útil. Cuando el pistón llega al PMI, concluye la tercera carrera y el cigüeñal ha girado de nuevo 180º.

Escape

En esta fase el pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS, arrastrado por el movimiento del cigüeñal. La válvula de escape se abre y permite la salida de los gases quemados.

Al llegar el pistón al PMS, concluye la cuarta carrera, asociada a un nuevo giro de 180º. La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que está en disposición de comenzar un nuevo ciclo.

El Motor Rotativo Wankel

Este motor se caracteriza porque el pistón no se desplaza linealmente, sino que gira alrededor de un eje excéntrico. Su funcionamiento se basa en la rotación de un rotor triangular dentro de una cámara con forma de 8.

8. Combustibles

Un combustible es una sustancia que reacciona con el oxígeno del aire desprendiendo gran cantidad de calor.

Clasificación

Según el estado físico en condiciones ambientales, los combustibles se clasifican en gaseosos, líquidos y sólidos.

Gaseosos

Los más habituales son el gas de alumbrado, el gas pobre, el gas de alto horno, el gas natural y los GLP. Se utilizan en motores estacionarios, debido a las grandes dimensiones de los depósitos necesarios para almacenarlos.

Líquidos

Los más habituales son la gasolina, el gasóleo y el fuelóleo. También se utilizan el benzol y otros alcoholes. Son los más usados en los motores de combustión, debido a la gran cantidad de energía generada por unidad de volumen, su fácil manejo y su seguro almacenamiento.

Sólidos

En ninguna circunstancia se usan como combustible en los motores de combustión interna. Los más conocidos son las diversas variedades de carbón.

Características de los Combustibles

• El poder calorífico Hc es la cantidad de calor desprendido por unidad de combustible cuando la combustión es completa. Su valor varía dependiendo de si la combustión se lleva a cabo a presión o a volumen constantes.
• Volatilidad. Indica la tendencia del combustible a evaporarse. En general, cuanto menor sea la temperatura de vaporización de un producto, más volátil puede considerarse. De los derivados del petróleo, la gasolina es el producto más volátil. Le siguen el queroseno, utilizado en los motores de aviación, y el gasóleo, empleado en los motores Diesel.
• Inflamabilidad. Es la tendencia de un combustible a inflamarse por efecto de presiones elevadas, temperaturas altas u otro tipo de agente externo. El gasóleo es mucho más estable al calor que la gasolina y, por lo tanto, menos inflamable en caso de accidente con derrame de combustible.
• Temperatura de autoinflamación. Es la temperatura mínima a la cual el combustible se autoinflama en contacto con el aire, sin la acción de ningún agente externo. El gasóleo tiene una temperatura de autoinflamación inferior a la de la gasolina.
• La dosificación estequiométrica. Es la relación ideal entre la masa de aire y de combustible que debe introducirse en el cilindro.
• Número de octanos (NO). Mide la mayor o menor tendencia a detonar de un combustible: cuanto mayor es este número, menor es la tendencia a la detonación. Se denomina de este modo porque el isooctano es un hidrocarburo muy poco detonante al que se le asigna un NO=100, a diferencia del heptano que es un hidrocarburo muy detonante y por eso se le asigna un NO=0. Así pues, un combustible con NO=98 se comporta como una mezcla con el 98% de isooctano y el 2% de heptano. Los combustibles utilizados en los motores de encendido provocado deben tener un elevado número de octano con el fin de evitar detonaciones.
• Número de cetano (NC). Mide la tendencia a la autoinflamación: cuanto mayor es este número, mayor es la tendencia del combustible a autoinflamarse. Los combustibles de los motores Diesel deben tener un elevado número de cetano y, en consecuencia, una elevada tendencia a la autoinflamación, para que no se acumulen en el cilindro grandes cantidades de mezcla de aire y combustible.

9. La Contaminación de los Motores Térmicos

Uno de los principales inconvenientes de los motores térmicos es la capacidad de emisión de agentes contaminantes que poseen.

En un vehículo, la fuente de emisión fundamental de agentes contaminantes se encuentra en los gases de escape que se producen en la combustión.

En el caso de la combustión instantánea de una mezcla con la dosificación exacta de aire/combustible, y en condiciones ideales de la cámara de combustión, sólo se emiten a la atmósfera dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno, que no son gases tóxicos.

Pero, en la realidad, las condiciones anteriores casi nunca se cumplen y, junto con los anteriores, aparecen gases tóxicos o nocivos, junto con otros productos que también se emiten.

• Gases tóxicos. Representan el 1% del total de los gases quemados y son el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos no quemados.
• Otros productos que también se emiten son los compuestos de plomo, los óxidos de azufre y los humos.

Soluciones

La reducción de los gases tóxicos y de los productos que se emiten en el escape puede llevarse a cabo si se actúa sobre la composición de los combustibles, el diseño del motor, la preparación de la mezcla y los propios gases de escape.

• La composición de los combustibles puede mejorarse reduciendo su contenido en plomo y en azufre.
• El diseño del motor puede ser modificado. Para ello basta ajusta sus parámetros para mejorar la combustión: relación carrera-diámetro, relación volumétrica de compresión, número de cilindros, etc.
• La preparación de la mezcla también tiene gran importancia, ya que las mezclas pobres suelen tener mayor tendencia a una combustión defectuosa.
• La actuación sobre los gases de escape se efectúa mediante un catalizador, que se encarga de neutralizar simultáneamente los tres contaminantes principales: monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos no quemados.

Otras soluciones para el problema de la contaminación de los vehículos térmicos son:

• Utilización de biocombustibles menos agresivos con el medio ambiente.
• Diseño de los motores híbridos de última tecnología, y con prestaciones muy parecidas a los vehículos modernos, pero de menor consumo y reducida emisión de gases contaminantes.