01-Máquinas térmicas

La definición moderna del término máquina es el conjunto de elementos que permiten vencer una resistencia o transformar una información aplicando una energía. El curso pasado se analizaron los elementos que pueden componer una máquina, como engranajes, tornillos, etc. En este curso se analizan las máquinas térmicas.

Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis:

1. El gas que evoluciona en el interior de la máquina es ideal.

2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo.

3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriar el volumen fijo.

4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas.


De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los cálculos:


Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, tenemos:



En realidad, la hipótesis del aporte de calor no es desafortunada, incluso, los motores se clasifican atendiendo a la forma en que se produce la combustión como motores de combustión externa, cuando el combustible no tiene contacto con el gas que produce el trabajo, frente a motores de combustión interna, que son aquéllos en los que el combustible se quema junto con el gas.


Otra clasificación se realiza atendiendo al movimiento de las piezas en su interior, y tendíamos motores alternativos (basados en el mecanismo de pistón-biela-cigüeñal), rotativos (que sólo tienen piezas giratorias, normalmente compresores y turbinas) y motores de chorro (basados en el principio de acción y reacción, como los cohetes). 


Un segundo tipo de máquinas térmicas se basa en dar trabajo para conseguir extraer calor de un recinto que está a baja temperatura y expulsarlo en un ambiente a mayor temperatura. Son los frigoríficos que conocemos bien en la cocina de casa y las bombas de calor. En ambos casos, su representación simplificada es la del dibujo:



El rendimiento de estas máquinas, como siempre, es la relación entre lo que se obtiene (calor) y lo que se gasta (trabajo), como se verá más adelante.



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