Motores a Reaccion

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 frigorífic?~ si elinterés 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 de conversióndirecta) 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% de todos los recursos energéticos mundiales. Los frigoríficos (desarrollados a partir del siglo XIX) permiten enfriar sustancias por debajo de la temperatura ambiente (lo cual es mucho másdifícil 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 consumo energético mundial esinsignificante. 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 unas sustancias 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 a considerar aquí el diseño mecánicode 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 él, sino exclusivamente los aspectos termodinámicos de las máquinas térmicas, y aun éstos con una

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l. Martínez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA

gran idealización en la que P.e. nisiquiera 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 fuentes y sumideros exteriores apenasrequiere 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 las que estén acopladas la energía térmica yla 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 vapor (monocomponente), existen ciclos en los...