Motor térmico

Figura 1: Diagrama del motor de calor

En termodinámica e ingeniería, una máquina térmica es un sistema que convierte el calor en energía mecánica, que luego se puede utilizar para realizar un trabajo mecánico. Lo hace al llevar una sustancia de trabajo de una temperatura de estado más alta a una temperatura de estado más baja. Una fuente de calor genera energía térmica que lleva la sustancia de trabajo al estado de temperatura más alta. La sustancia de trabajo genera trabajo en el cuerpo de trabajo del motor mientras transfiere calor al disipador más frío hasta que alcanza un estado de temperatura más baja. Durante este proceso, parte de la energía térmica se convierte en trabajo aprovechando las propiedades de la sustancia de trabajo. La sustancia de trabajo puede ser cualquier sistema con una capacidad calorífica distinta de cero, pero por lo general es un gas o un líquido. Durante este proceso, normalmente se pierde algo de calor hacia el entorno y no se convierte en trabajo. Además, parte de la energía es inutilizable debido a la fricción y el arrastre.

En general, un motor es cualquier máquina que convierte energía en trabajo mecánico. Los motores térmicos se distinguen de otros tipos de motores por el hecho de que su eficiencia está fundamentalmente limitada por el teorema de Carnot. Aunque esta limitación de eficiencia puede ser un inconveniente, una ventaja de los motores térmicos es que la mayoría de las formas de energía se pueden convertir fácilmente en calor mediante procesos como reacciones exotérmicas (como la combustión), fisión nuclear, absorción de luz o partículas energéticas, fricción, disipación y resistencia Dado que la fuente de calor que suministra energía térmica al motor puede alimentarse prácticamente con cualquier tipo de energía, los motores térmicos cubren una amplia gama de aplicaciones.

Los motores térmicos a menudo se confunden con los ciclos que intentan implementar. Normalmente, el término "motor" se utiliza para un dispositivo físico y un "ciclo" para los modelos

Resumen

En termodinámica, los motores térmicos a menudo se modelan utilizando un modelo de ingeniería estándar, como el ciclo de Otto. El modelo teórico se puede refinar y aumentar con datos reales de un motor en funcionamiento, utilizando herramientas como un diagrama indicador. Dado que muy pocas implementaciones reales de motores térmicos coinciden exactamente con sus ciclos termodinámicos subyacentes, se podría decir que un ciclo termodinámico es un caso ideal de un motor mecánico. En cualquier caso, comprender completamente un motor y su eficiencia requiere una buena comprensión del modelo teórico (posiblemente simplificado o idealizado), los matices prácticos de un motor mecánico real y las discrepancias entre los dos.

En términos generales, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y el sumidero frío, mayor será la eficiencia térmica potencial del ciclo. En la Tierra, el lado frío de cualquier motor térmico se limita a estar cerca de la temperatura ambiente del medio ambiente, o no muy por debajo de los 300 kelvin, por lo que la mayoría de los esfuerzos para mejorar las eficiencias termodinámicas de varios motores térmicos se centran en aumentar la temperatura del medio ambiente. fuente, dentro de los límites materiales. La eficiencia teórica máxima de un motor térmico (que ningún motor alcanza nunca) es igual a la diferencia de temperatura entre los extremos caliente y frío dividida por la temperatura en el extremo caliente, cada uno expresado en temperatura absoluta.

La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o utilizados en la actualidad tiene un amplio rango:

• 3% (97 por ciento calor de desperdicio usando calor de baja calidad) para la conversión de energía térmica oceánica (OTEC) propuesta de energía oceánica
• 25% para la mayoría de los motores de gasolina automotriz
• 49% para una central eléctrica de carbón supercrítica como la estación de energía Avedøre
• 60% para una turbina de gas de ciclo combinado

La eficiencia de estos procesos es aproximadamente proporcional a la caída de temperatura a través de ellos. Los equipos auxiliares, como las bombas, pueden consumir una cantidad significativa de energía, lo que reduce efectivamente la eficiencia.

Ejemplos

Es importante tener en cuenta que, aunque algunos ciclos tienen una ubicación típica de combustión (interna o externa), a menudo se pueden implementar con la otra. Por ejemplo, John Ericsson desarrolló un motor con calefacción externa que funcionaba en un ciclo muy parecido al ciclo diésel anterior. Además, los motores con calefacción externa a menudo se pueden implementar en ciclos abiertos o cerrados. En un ciclo cerrado, el fluido de trabajo se retiene dentro del motor al finalizar el ciclo, mientras que en un ciclo abierto, el fluido de trabajo se intercambia con el medio ambiente junto con los productos de la combustión en el caso del motor de combustión interna o simplemente se ventila hacia el exterior. el medio ambiente en el caso de los motores de combustión externa como las máquinas de vapor y las turbinas.

Ejemplos cotidianos

Los ejemplos cotidianos de motores térmicos incluyen la central térmica, el motor de combustión interna, los refrigeradores de armas de fuego y las bombas de calor. Las centrales eléctricas son ejemplos de motores térmicos que funcionan hacia adelante en los que el calor fluye desde un depósito caliente y fluye hacia un depósito frío para producir trabajo como el producto deseado. Los refrigeradores, los acondicionadores de aire y las bombas de calor son ejemplos de máquinas térmicas que funcionan a la inversa, es decir, usan trabajo para tomar energía térmica a baja temperatura y elevar su temperatura de una manera más eficiente que la simple conversión de trabajo en calor (ya sea a través de fricción o resistencia eléctrica). Los refrigeradores eliminan el calor del interior de una cámara sellada térmicamente a baja temperatura y ventilan el calor residual a una temperatura más alta hacia el ambiente y las bombas de calor toman el calor del ambiente a baja temperatura y lo 'ventilan' en una cámara sellada térmicamente (una casa) a una temperatura más alta.

En general, los motores térmicos explotan las propiedades térmicas asociadas con la expansión y compresión de los gases según las leyes de los gases o las propiedades asociadas con los cambios de fase entre los estados gaseoso y líquido.

El motor térmico de la Tierra

La atmósfera y la hidrosfera de la Tierra, el motor térmico de la Tierra, son procesos acoplados que equilibran constantemente los desequilibrios del calentamiento solar a través de la evaporación del agua superficial, la convección, la lluvia, los vientos y la circulación oceánica, al distribuir el calor alrededor del globo.

Una celda de Hadley es un ejemplo de un motor térmico. Implica el ascenso de aire cálido y húmedo en la región ecuatorial de la tierra y el descenso de aire más frío en los subtrópicos creando una circulación directa impulsada térmicamente, con la consiguiente producción neta de energía cinética.

Ciclos de cambio de fase

En estos ciclos y motores, los fluidos de trabajo son gases y líquidos. El motor convierte el fluido de trabajo de gas a líquido, de líquido a gas, o ambos, generando trabajo a partir de la expansión o compresión del fluido.

• Ciclo de Rankine (motor de vapor clásico)
• Ciclo regenerativo (motor de vapor más eficiente que el ciclo Rankine)
• Ciclo de Rankine orgánico (Fase de cambio de refrigeración en rangos de temperatura de hielo y agua líquida caliente)
• Vapor a ciclo líquido (Ave potable, Inyector, Rueda Minto)
• Ciclo líquido a sólido (horro fuerte – el agua que cambia de hielo a líquido y de nuevo puede levantar roca hasta 60 cm.)
• Ciclo sólido a gas (armas de fuego – propulsantes sólidos combustibles a gases calientes.)

Ciclos solo de gas

En estos ciclos y motores el fluido de trabajo es siempre un gas (es decir, no hay cambio de fase):

• Ciclo de carnot (motor de calor de carnot)
• Ciclo de Ericsson (Caloric Ship John Ericsson)
• Ciclo de estiramiento (Motor eléctrico, dispositivos termoacústicos)
• Motor de combustión interna (ICE):
  • Ciclo de otom (por ejemplo, motor de gasolina/petrol)
  • Ciclo diesel (por ejemplo, motor diesel)
  • Ciclo de Atkinson (motor Atkinson)
  • Ciclo Brayton o ciclo Joule originalmente ciclo Ericsson (gas turbina)
  • Ciclo de lenoir (por ejemplo, motor de pulso)
  • Ciclo de Miller (motor de Miller)

Ciclos solo líquidos

En estos ciclos y motores el fluido de trabajo es siempre como líquido:

• Ciclo de estiramiento (motor de Malone)
• Ciclone regenerativo de calor

Ciclos electrónicos

• Conversor de energía termoeléctrica de Johnson
• Termoeléctrico (Efecto de Peltier-Seebeck)
• Celda termogalvanic
• Emisión termonica
• Enfriamiento de la termota

Ciclos magnéticos

• Motor termomagnético (Tesla)

Ciclos utilizados para refrigeración

Un frigorífico doméstico es un ejemplo de bomba de calor: un motor térmico al revés. El trabajo se utiliza para crear un diferencial de calor. Muchos ciclos pueden funcionar a la inversa para mover el calor del lado frío al lado caliente, haciendo que el lado frío se enfríe y el lado caliente se caliente más. Las versiones de motor de combustión interna de estos ciclos son, por su naturaleza, no reversibles.

Los ciclos de refrigeración incluyen:

• Máquina del ciclo del aire
• Nevera de absorción de gas
• Refrigeración magnética
• Espeluznante criollo
• Refrigeración de la compresión de vapor
• Ciclo Vuilleumier

Motores de calor evaporativo

El motor de evaporación de Barton es un motor térmico basado en un ciclo que produce energía y aire húmedo enfriado a partir de la evaporación del agua en aire seco y caliente.

Máquinas térmicas mesoscópicas

Los motores térmicos mesoscópicos son dispositivos a nanoescala que pueden cumplir el objetivo de procesar flujos de calor y realizar un trabajo útil a pequeña escala. Las aplicaciones potenciales incluyen, p. dispositivos eléctricos de refrigeración. En estos motores térmicos mesoscópicos, el trabajo por ciclo de operación fluctúa debido al ruido térmico. Existe una igualdad exacta que relaciona el promedio de los exponentes del trabajo realizado por cualquier motor térmico y la transferencia de calor del baño de calor más caliente. Esta relación transforma la desigualdad de Carnot en igualdad exacta. Esta relación es también una igualdad del ciclo de Carnot

Eficiencia

La eficiencia de un motor térmico relaciona la cantidad de trabajo útil que se produce para una cantidad determinada de entrada de energía térmica.

De las leyes de la termodinámica, después de un ciclo completo:

${displaystyle W+Q=Delta _{cycle} U=0}$

por lo tanto

${displaystyle W=-Q=-(Q_{c}+Q_{h}}$

Donde

${displaystyle W=-oint PdV!$ es el trabajo neto extraído del motor en un ciclo. (Es negativo, en la convención del IUPAC, ya que el trabajo es por el motor.)

${displaystyle Q_{h}0}$ es la energía térmica tomada de la fuente de calor de alta temperatura en el entorno en un ciclo. (Es positivo ya que la energía térmica es añadido al motor.)

${displaystyle ¿Qué?$ es el calor de desecho dado por el motor al fregadero de calor de temperatura fría. (Es negativo ya que el calor es perdido por el motor al fregadero.)

En otras palabras, una máquina térmica absorbe energía térmica de la fuente de calor de alta temperatura, convierte parte de ella en trabajo útil y emite el resto como calor residual al disipador de calor de temperatura fría.

En general, la eficiencia de un proceso de transferencia de calor determinado se define por la relación de "lo que se saca" a "lo que se pone". (Para una nevera o bomba de calor, que se puede considerar como un motor de calor en marcha inversa, este es el coeficiente de rendimiento y es ≥ 1.) En el caso de un motor, uno desea extraer el trabajo y tiene que poner en calor ${displaystyle Q_{h}$, por ejemplo de la combustión de un combustible, por lo que la eficiencia del motor se define razonablemente como

${displaystyle eta ={frac {fnMicroc} {fnMicroc} {fnh}=1+{c} {fnh} {fnh}}}=1+{fn} {fn}}} {fn}}}}} {f}}} {fn}}}}}}}}}}}=1+{f} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}=1+ {\\\\\\\\\\ {c} {c}}=1-{f}} {f}} {f} {f}}} {f}} {f}}} {f}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { {fnMicrosoft} {fnK}} {fnK}}}} {fnK}}}}} {fn}}}}}}}}}}}}} {cH}}}}}} {fn}}}}}} {f}}}$

La eficiencia es inferior al 100% debido al calor de los residuos ${displaystyle Q_{c}traducido0}$ inevitablemente perdido al fregadero frío (y el trabajo de compresión correspondiente puesto) durante la recompresión necesaria a la temperatura fría antes de que el trazo de potencia del motor pueda ocurrir de nuevo.

La eficiencia máxima teórica de cualquier motor térmico depende únicamente de las temperaturas entre las que opera. Esta eficiencia generalmente se obtiene utilizando un motor térmico imaginario ideal como el motor térmico de Carnot, aunque otros motores que utilizan diferentes ciclos también pueden alcanzar la máxima eficiencia. Matemáticamente, después de un ciclo completo, el cambio total de entropía es cero:

${displaystyle \Delta S_{h}+ Delta S_{c}= Delta _{cycle}S=0}$

Note que ${displaystyle Delta S_{h}$ es positivo porque la expansión isotérmica en el trazo de potencia aumenta la multiplicidad del fluido de trabajo mientras ${displaystyle Delta S_{c}$ es negativo ya que la recompresión disminuye la multiplicidad. Si el motor es ideal y funciona reversiblemente, ${displaystyle Q_{h}=T_{h} Delta S_{h}$ y ${displaystyle Q_{c}=T_{c} Delta S_{c}$, y así

${displaystyle Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0}$,

que da ${displaystyle Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}$ y por lo tanto el límite de Carnot para la eficiencia del motor de calor,

${displaystyle eta _{text{max}=1-{frac {T_{c} {T_{h}}}$

Donde ${displaystyle T_{h}$ es la temperatura absoluta de la fuente caliente y ${displaystyle T_{c}$ el del fregadero frío, generalmente medido en kelvins.

El razonamiento detrás de que esto sea la eficiencia máxima es el siguiente. Primero se supone que si es posible un motor térmico más eficiente que un motor de Carnot, entonces podría funcionar en reversa como una bomba de calor. El análisis matemático se puede utilizar para mostrar que esta supuesta combinación daría como resultado una disminución neta de la entropía. Dado que, según la segunda ley de la termodinámica, esto es estadísticamente improbable hasta el punto de la exclusión, la eficiencia de Carnot es un límite superior teórico de la eficiencia confiable de cualquier ciclo termodinámico.

Desde el punto de vista empírico, nunca se ha demostrado que una máquina térmica funcione con mayor eficiencia que una máquina térmica de ciclo de Carnot.

La Figura 2 y la Figura 3 muestran variaciones en la eficiencia del ciclo de Carnot con la temperatura. La Figura 2 indica cómo cambia la eficiencia con un aumento en la temperatura de adición de calor para una temperatura de entrada del compresor constante. La Figura 3 indica cómo cambia la eficiencia con un aumento en la temperatura de rechazo de calor para una temperatura de entrada de turbina constante.

Figura 2: Eficiencia del ciclo de carnot con temperatura de adición de calor cambiante.

Figura 3: Eficiencia del ciclo de carnot con temperatura de rechazo del calor cambiante.

Motores térmicos endo-reversibles

Por su naturaleza, cualquier ciclo de Carnot de máxima eficiencia debe operar a un gradiente de temperatura infinitesimal; esto se debe a que cualquier transferencia de calor entre dos cuerpos de diferentes temperaturas es irreversible, por lo tanto, la expresión de eficiencia de Carnot se aplica solo al límite infinitesimal. El principal problema es que el objetivo de la mayoría de los motores térmicos es generar potencia, y rara vez se desea una potencia infinitesimal.

Una medida diferente de la eficiencia ideal del calor-motor se da por consideraciones de termodinámica endoreverable, donde el sistema se divide en subsistemas reversibles, pero con interacciones no reversibles entre ellos. Un ejemplo clásico es el motor Curzon-Ahlborn, muy similar a un motor Carnot, pero donde los depósitos térmicos a temperatura ${displaystyle T_{h}$ y ${displaystyle T_{c}$ se permite ser diferente de las temperaturas de la sustancia que atraviesa el ciclo reversible de Carnot: ${displaystyle T.$ y ${displaystyle T.$. Las transferencias de calor entre los embalses y la sustancia se consideran conductivas (y irreversibles) en la forma ${displaystyle dQ_{h,c}/dt=alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})}$. En este caso, hay que hacer una compensación entre la producción de energía y la eficiencia. Si el motor se opera muy lentamente, el flujo de calor es bajo, ${displaystyle Tapprox T}$ y el resultado clásico de Carnot se encuentra

${displaystyle eta =1-{frac {T_{c} {T_{h}}}$,

pero al precio de una potencia de salida que se desvanece. Si, por el contrario, se elige operar el motor a su máxima potencia de salida, la eficiencia se vuelve

${displaystyle eta =1-{sqrt {frac {T_{c} {T_{h}}}$ (Nota: T en unidades de K o °R)

Este modelo hace un mejor trabajo al predecir qué tan bien pueden funcionar los motores térmicos del mundo real (Callen 1985, ver también termodinámica endorreversible):

Eficiencias de las centrales eléctricas

Estación eléctrica	${displaystyle T_{c}$ (°C)	${displaystyle T_{h}$ (°C)	${displaystyle eta }$ (Carnot)	${displaystyle eta }$ (Inservible)	${displaystyle eta }$ (Observado)
West Thurrock (Reino Unido) estación de energía de carbón	25	565	0,644	0.40	0.36
Estación de energía nuclear CANDU (Canadá)	25	300	0.48	0,28	0.30
Larderello (Italia) estación de energía geotérmica	80	250	0.33	0.178	0.16

Como se muestra, la eficiencia de Curzon-Ahlborn modela mucho más de cerca lo observado.

Historia

Los motores térmicos se conocen desde la antigüedad, pero solo se convirtieron en dispositivos útiles en la época de la revolución industrial en el siglo XVIII. Continúan desarrollándose en la actualidad.

Mejoras

Los ingenieros han estudiado los diversos ciclos de los motores térmicos para mejorar la cantidad de trabajo utilizable que podrían extraer de una fuente de energía determinada. El límite del ciclo de Carnot no se puede alcanzar con ningún ciclo basado en gas, pero los ingenieros han encontrado al menos dos formas de eludir ese límite y una forma de obtener una mayor eficiencia sin infringir ninguna regla:

1. Aumentar la diferencia de temperatura en el motor de calor. La forma más sencilla de hacerlo es aumentar la temperatura lateral caliente, que es el enfoque utilizado en las turbinas modernas de gas de ciclo combinado. Desafortunadamente, los límites físicos (como el punto de fusión de los materiales utilizados para construir el motor) y las preocupaciones ambientales respecto a la producción de NOx (si la fuente de calor es la combustión con aire ambiente) restringen la temperatura máxima en los motores de calor viables. Las turbinas de gas modernas funcionan a temperaturas lo más altas posible dentro del rango de temperaturas necesarias para mantener NO aceptable_x salida. Otra manera de aumentar la eficiencia es reducir la temperatura de salida. Un nuevo método de hacerlo es utilizar líquidos de trabajo químicos mixtos, luego explotar el comportamiento cambiante de las mezclas. Uno de los más famosos es el llamado ciclo de Kalina, que utiliza una mezcla de 70/30 de amoníaco y agua como su fluido de trabajo. Esta mezcla permite que el ciclo genere potencia útil a temperaturas considerablemente más bajas que la mayoría de otros procesos.
2. Explotar las propiedades físicas del fluido de trabajo. La explotación más común es el uso del agua por encima del punto crítico (agua superior). El comportamiento de fluidos por encima de su punto crítico cambia radicalmente, y con materiales como agua y dióxido de carbono es posible explotar esos cambios en el comportamiento para extraer mayor eficiencia termodinámica del motor de calor, incluso si está utilizando un ciclo Brayton o Rankine bastante convencional. Un material más nuevo y muy prometedor para tales aplicaciones es el CO2 supercritical. SO2 y xenon también han sido considerados para tales aplicaciones. Las desventajas incluyen temas de corrosión y erosión, los diferentes comportamientos químicos por encima y por debajo del punto crítico, las altas presiones necesarias y – en el caso de dióxido de azufre y en menor medida de dióxido de carbono – toxicidad. Entre los compuestos mencionados xenón es menos adecuado para el uso en un reactor nuclear debido a la alta sección de absorción de neutrones de casi todos los isótopos de xenón, mientras que el dióxido de carbono y el agua también pueden duplicarse como un moderador de neutrones para un reactor de espectro térmico.
3. Explotar las propiedades químicas del fluido de trabajo. Una explotación bastante nueva y novedosa es utilizar fluidos de trabajo exóticos con propiedades químicas ventajosas. Uno de ellos es el dióxido de nitrógeno (NO₂), un componente tóxico de la smog, que tiene un dimer natural como tetraóxido de dintrógeno (N₂O₄). A baja temperatura, la N₂O₄ está comprimido y luego calentado. La temperatura creciente causa cada N₂O₄ para romper en dos NO₂ moléculas. Esto reduce el peso molecular del fluido de trabajo, lo que aumenta drásticamente la eficiencia del ciclo. Una vez que el NO₂ se ha expandido a través de la turbina, se enfría por el fregadero de calor, lo que lo hace recombina en N₂O₄. Esto es alimentado por el compresor para otro ciclo. Especies como bromuro de aluminio (Al₂Br₆), NOCl y Ga₂I₆ todos han sido investigados para tales usos. Hasta la fecha, sus desventajas no han justificado su uso, a pesar de los aumentos de eficiencia que se pueden realizar.

Procesos de motores térmicos

Cada proceso es uno de los siguientes:

• isotérmico (a temperatura constante, mantenido con calor añadido o eliminado de una fuente de calor o lavabo)
• isobarico (a presión constante)
• isométrico/isocérico (en volumen constante), también denominado isovolumétrico
• adiabático (sin calor se añade o se elimina del sistema durante el proceso adiabático)
• isentropic (proceso adiabático reversible, ningún calor se añade o se elimina durante el proceso isentrópico)