Maquinas Termicas

Capítulo 17

Máquinas térmicas de potencia

Máquinas térmicas: motor térmico, frigorífico y bomba de calor
Las máquinas térmicas son dispositivos mecánicos que transforman cíclicamente energía
térmica en energía mecánica (las máquinas térmicas de potencia, también llamadas motores
térmicos) o bombean energía térmica de un nivel térmico inferior a uno superior (llamándose
f rigorífic?~ siel interés se centra en la extracción de la energía térmica de bajo nivel y
bombas si el interés reside en el aporte de energía térmica de alto nivel, aunque a veces se
persigue ambos objetivos a la vez).
Los motores térmicos (desarrollados a partir del siglo XVIII) sirven para canalizar el enorme
potencial energético de los combustibles (todavía no son competitivos los dispositivos deconversión directa) y el 95% de la energía mecánica (o eléctrica) consumida en el mundo es
producida por estas máquinas (el resto es producida en saltos hidráulicos); para ello, los
motores térmicos consumen más del 60% d e todos los recursos energéticos mundiales. Los
frigoríficos (desarrollados a partir del siglo XIX) permiten enfriar sustancias por debajo de la
temperatura ambiente (lo cual esmucho más difícil que calentar porque hay que disminuir la
entropía del sistema) y cada vez se utilizan más, principalmente en la indusma de la
alimentación y del acondicionamiento ambiental, consumiéndose para ello cerca del 5% de
los recursos energéticos mundiales. Las bombas de calor apenas llegan a competir con los
sistemas tradicionales de calefacción y su incidencia en el consumoenergético mundial es
insignificante.
Las máquinas térmicas funcionan cíclicamente y realizan la conversión de energía por medio
de un fluido de trabajo que a su vez puede sufrir una evolución cíclica (como en las centrales
nucleares y solares, frigoríficos y bombas) o no (como es el caso más general de motores de
combustión). Incluso en este último caso, donde en cada ciclo de la máquina entran unassustancias frescas (combustible más comburente) y salen unas sustancias quemadas, es
conveniente estudiar el modelo llamado de "aire estándar" en el cual se supone que el fluido
de trabajo es aire puro, no cambia de composición, recibe calor de un foco exterior en la zona
de combustión, cede calor al ambiente a la salida y vuelve a la entrada, evolucionando
cíclicamen te.

No se va aconsiderar aquí el diseño mecánico de las máquinas térmicas, el sistema de
renovación de la carga, el sistema de lubricación, el de inyección y el de encendido (si los
hubiera), ni la regulación, control y actuaciones en régimen o fuera de é l, sino
exclusivamente los aspectos termodinámicos de las máquinas térmicas, y aun éstos con una

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l . Martínez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA

granidealización en la que P.e. ni siquiera se contemplan los procesos reales de combustión,
los cuales se analizan separadamente en los Caps. 15 y 16.
Además, en primera aproximación se suele considerar que la evolución del fluido de trabajo
es sin degradación de energía (en particular, sin fricción) y, lo que es más exagerado, que la
transmisión de calor entre el fluido de trabajo y las fuentesy sumideros exteriores apenas
requiere salto de temperaturas para realizarse. Como esta última simplificación es demasiado
drástica, casi siempre se suele incluir en el modelo de estudio de las máquinas térmicas un
salto finito de temperaturas a través de los cambiadores de calor entre los focos y el fluido de
trabajo.
El fluido de trabajo ha de sufrir transformaciones termodinámicas en lasque estén acopladas
la energía térmica y la energía mecánica, por lo que las sustancias condensadas apenas tienen
interés, y los fluidos de trabajo son gases o vapores (estos últimos se diferencian de los
anteriores en que en algún punto del ciclo tiene lugar el cambio de fase a líquido (en otro
punto volverá de líquido a vapor)). Además de estos ciclos de gas (monocomponente o
mezcla) y...