Ciclo Stirling
El ciclo de Carnot es completamente teórico, no existe tal máquina, pero el análisis del ciclo termodinámico es válido, y sirve para otras máquinas que sí son reales, como el ciclo Stirling, o los ciclos que seguiremos estudiando en el tema.
Para entender cómo funciona este motor, debemos empezar por recordar cómo reaccionan los gases ideales cuando se calientan y se enfrían.
En la imagen de la derecha el émbolo puede moverse arriba y abajo libremente, por lo cual el gas en el interior mantiene su presión constante. Al aumentar su temperatura también aumenta su volumen, y al enfriarse se contrae.
A partir de este funcionamiento básico, veamos a añadir modificaciones:
tendremos un recinto será cerrado que llamaremos cilindro,
el aporte de calor y la refrigeración serán continuos,
la pieza móvil, que llamamos émbolo de transferencia permite el paso de aire a través de él.
Al provocar el desplazamiento del émbolo desde el exterior, el aire se calentará, aumentando su presión, o se enfriará disminuyéndola dependiendo del espacio que ocupe.
El ciclo que acabamos de entender no es muy práctico, porque el volumen del aire no varía y no podríamos extraer trabajo mecánico, es más, debemos aportar trabajo para forzar el movimiento del émbolo de transferencia. Pero si añadimos un segundo émbolo, la cosa cambia:
Aún tenemos que desplazar el émbolo de transferencia, pero ahora sí que tenemos la opción de aprovechar el desplazamiento del nuevo émbolo, que se llama émbolo de potencia o de trabajo.
Este es el principio de los motores Stirling, cuyo secreto está en mantener la zona de expansión y la de compresión separados, y provocar la transferencia de aire de una a otra para aprovechar su expansión y compresión.
El que hemos visto corresponde a un motor tipo beta, pero existen otros modelos diferentes que funcionan con el mismo ciclo, nos centraremos en el tipo gamma con desplazador.
En este caso tenemos el émbolo de potencia separado del desplazador, y ambos están ligados mediante un cigüeñal cuyos brazos forman 90º, como en los siguientes dibujos:
(Pulsa para ver una animación tridimensional)
El ciclo comienza cuando el aire caliente provoca el desplazamiento del pistón de potencia hacia arriba. Es una expansión que se idealiza como un proceso a temperatura constante:
Al llegar a su punto más elevado, el pistón de potencia empuja al desplazador hacia abajo, con lo cual el aire es obligado a ir a la zona superior. Es el proceso de transferencia:
Entonces el aire pierde calor a volumen constante:
este enfriamiento provoca la contracción del aire, con lo cual el émbolo de potencia desciende; es una compresión isotérmica:
y al llegar a su posición más baja, el émbolo de potencia provoca que el émbolo de transferencia se eleve, con lo cual el aire frío es empujado hacia la zona caliente:
donde, a continuación, el aire se calienta a volumen constante y empieza de nuevo el ciclo.
Con este ejemplo podemos obtener el ciclo termodinámico ideal, en el que no sólo se considera el gas del interior como ideal, sino que además no se tiene en cuenta que los dos émbolos están constantemente moviéndose:
El proceso 1 es el aumento de volumen a temperatura constante pues se mantiene el gas en contacto con la placa caliente inferior. El émbolo de potencia se desplaza hacia arriba.
El proceso 2 es la transferencia de gas hacia el recinto superior y su enfriamiento, ambos a volumen constante.
El proceso 3 es la contracción a temperatura constante (el gas se mantiene en contacto con la placa fría superior), que desplaza el émbolo de potencia hacia abajo.
Por último, el proceso 4 es la segunda transferencia de gas hacia el recinto inferior y su calentamiento a volumen constante.
Curiosamente, el ciclo ideal da un rendimiento igual que el del ciclo de Carnot.
y, aunque nunca se alcanza ese valor, el motor funciona, como lo demuestra el siguiente vídeo: