Procesos Reversibles e Irreversibles
Un proceso es reversible cuando con un cambio muy pequeño en el ambiente podemos hacer que recorra su trayectoria a la inversa. Este hecho en la práctica es imposible y la naturaleza nos dice que todos los procesos que ocurren en ella son irreversibles.
Cerrado: cuando el estado inicial y final coinciden, es una transformación. Abierto: si son diferentes.
Motor Térmico y Máquina Frigorífica
Para que realmente se pueda producir trabajo neto, la máquina térmica que diseñemos ha de funcionar entre dos focos de calor, uno caliente, del que extraemos calor Qc y otro frío que recibe una cantidad de calor de Qf. La diferencia Qc-Qf será el trabajo realizado. En caso contrario, nuestra máquina debería consumir trabajo, recibiendo el nombre de máquina frigorífica.
Ciclo de Carnot
Es evidente que tiene que existir un intercambio de calor del foco caliente al frío. Cuanto menor sea ese intercambio, más cantidad de calor se transforma en trabajo. Nicolas Leonard Sadi Carnot.
Motores Térmicos
Clasificación
Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. Fuentes de energía térmica: nuclear y solar, energía calorífica procede de los combustibles.
Máquinas de Combustión Externa
El agua que proviene de la bomba entra en la caldera en su fase líquida, a alta presión y temperatura cercana a la de ambiente. En la caldera, el agua líquida absorbe el calor producido en la combustión o bien proveniente de un circuito de refrigeración de un combustible nuclear, eleva su temperatura de ebullición y se obtiene así un vapor saturado. Este vapor sigue aumentando su temperatura en el supercalentador con lo que se consigue un vapor sobrecalentado. Una vez que el vapor está sobrecalentado entra en los cilindros o en la turbina que son los elementos que transforman la energía térmica que posee el vapor en energía mecánica. Cuando el vapor ha perdido su energía pasa al condensador donde va bajando su temperatura y vuelve al estado líquido. Después, el vapor ya licuado va hasta la bomba, donde se eleva su presión antes de entrar de nuevo a la caldera. Si el circuito no es cerrado, el vapor pasa a la atmósfera y se suprime el condensador, con lo que se precisa un gran depósito de agua.
Motor Alternativo de Combustión Externa
Una máquina de vapor consiste en un cilindro que tiene en su interior un émbolo o quizás un pistón que divide al cilindro en dos zonas. El cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega de la caldera, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema biela-manivela del que forma parte un volante de inercia. Por encima del cilindro se desplaza en dirección horizontal un distribuidor que también está unido al volante, aunque su dirección de movimiento es siempre en el sentido opuesto al émbolo. De este modo, cuando la zona izquierda está en comunicación con la caldera la zona derecha lo está con el condensador. Con ello se consigue movimiento alternativo continuo.
Motor Rotativo de Combustión Externa (Turbina)
El vapor pasa a través de unas toberas en las cuales pierde presión y gana velocidad, a la vez que se orienta el flujo de manera que incida tangencialmente sobre la turbina. La turbina está formada por un rodete que tiene insertados un conjunto de álabes (paletas) los cuales absorben la energía de la corriente produciendo la rotación del eje. Actualmente, las turbinas de vapor son usadas en grandes centrales eléctricas y en propulsión de buques.
Motores de Combustión Interna
La combustión en una caldera tiene la gran ventaja de su fácil control, pero el grave inconveniente de que se pierde más calor del que se ha generado. Para evitar estas pérdidas conviene quemar el combustible en el interior del propio órgano motriz.
Motores Rotativos: Turbina de Gas
Aquellos en los que la expansión de los gases procedentes de la combustión actúa sobre una turbina.
Elementos de una Turbina de Gas
- Compresor: Se usan de tipo axial y radial aprovechando el gran caudal de aire que pueden suministrar. Las diferentes etapas del compresor comprimen cada vez más aire, transformando la energía cinética del aire en energía de presión.
- Cámara de combustión: El lugar adonde llega el aire comprimido, al que se le inyecta combustible pulverizado mediante los inyectores.
- Turbina: El gas es lanzado con energía cinética contra los álabes del rotor.
Motores de Combustión Interna Alternativos
Un motor alternativo es el que transforma la energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones, deslizándose con movimiento lineal por otros tantos cilindros. La parte estructural fundamental del motor la forman la bancada y el bloque sobre los que van montados los demás elementos del motor. En el cilindro se desliza el pistón con movimiento alternativo el cual está unido a la biela mediante un bulón. Para conseguirse el cierre hermético entre el cilindro y el pistón este está provisto de dos o tres segmentos colocados en unas ranuras de su parte superior. La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal el cual está soportado por cojinetes sobre la bancada, transformando el movimiento lineal en rotativo. La entrada del fluido de trabajo y la salida de los gases de combustión se realizan a través de las válvulas de admisión y escape respectivamente. Estas válvulas están situadas en la culata, directamente sobre el cilindro, y su movimiento de apertura y cierre está controlado por unos dispositivos mecánicos sincronizados es lo que se denomina distribución.
Funcionamiento del Motor Alternativo
El ciclo de 4 tiempos se realiza en 4 cambios de sentido del movimiento del pistón (dos vueltas del cigüeñal).
1º tiempo: Admisión: El pistón al descender desde el PMS crea un cierto vacío entre el cilindro que hace que este aspire el aire o la mezcla gaseosa combustible a través de la válvula de admisión que permanece abierta.
2º tiempo: Compresión: La válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al PMI momento en el cual este comienza a subir de nuevo comprimiendo la carga hasta llegar al PMS.
3º tiempo: Expansión: Instantes antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible con el consiguiente aumento de la presión y la temperatura. El pistón es entonces proyectado de nuevo hacia abajo, produciéndose el trabajo.
4º tiempo: Escape: Una vez que el pistón ha llegado al PMI se abre la válvula de escape el pistón asciende y los gases de la combustión son evacuados al exterior. Cuando ha llegado al PMS la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre. En ese momento el motor volvería a iniciar el primer tiempo.
De los cuatro tiempos solo el tercer tiempo realiza trabajo que es el almacenado en energía mecánica mediante volante de inercia. En cuanto a la descripción teórica que hemos hecho de los 4 tiempos hay que tener en cuenta que, en la práctica, la válvula de admisión se abre antes de que el motor esté en PMS y se cierra después de haber pasado por el PMI. Y 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.
En el ciclo de dos tiempos se realizan dos carreras del pistón. Son motores mucho más simples que los de cuatro tiempos no poseen válvulas ni distribución. Se usan en algunas motos. La entrada y salida de gases al cilindro se realiza por unas lumbreras.
Proceso: Primer tiempo: Cuando el pistón está en PMS se produce inflamación. Entonces los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape, por donde se evacúa el gas, impulsando por la elevada presión que todavía posee. A medida que el pistón baja comprime la mezcla del cárter y se abre la comunicación cilindro-cárter. Este fluido entra en el cilindro y termina de barrer los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.
Segundo tiempo: El pistón comienza a subir desde el PMI completando la fase de barrido y admisión hasta que cierran las lumbreras de admisión y escape. En ese momento las comienza la compresión hasta llegar al PMS. Al mismo tiempo la lumbrera de admisión queda abierta y entra fluido en el cárter.
Clasificación Según su Forma de Ignición
Se clasifican en motores de encendido por chispa (ECH) o de encendido provocado (MEP) y motores de encendido por compresión (MEC).
En los motores de encendido por chispa el combustible generalmente se mezcla con el aire antes de entrar en el cilindro. Esta mezcla se realizaba en un carburador pero ya se han generalizado sistemas de inyección que permiten un mejor control del combustible. El encendido se produce en estos motores mediante la chispa que suministra una bujía un instante antes de que el pistón llegue al PMS.
En los motores de encendido por compresión el tiempo de admisión solo permite que entre aire. Este aire es comprimido fuertemente, elevándose la temperatura hasta el punto que al inyectar el combustible este se inflama directamente sin necesidad de chispa. Al requerir una compresión más fuerte que los de encendido por chispa, también han de ser más robustos.
En ambos tipos de motores se suele realizar una mejora sustancial la sobrealimentación que consiste en introducir en los cilindros más aire y combustible que admiten de forma natural. Esta modificación logra aumentar la potencia.
La diferencia entre los ciclos Otto y Diesel es la forma en que se introduce calor en ellos, la relación de compresión del ciclo Diesel es más del doble que en el Otto.