En termodinámica e ingeniería , un motor térmico es un sistema que convierte el calor en energía mecánica , que luego se puede utilizar para realizar trabajos mecánicos . [1] [2] Lo hace llevando 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 alta temperatura. La sustancia de trabajo genera trabajo en el cuerpo de trabajo del motor mientras transfiere calor al disipador más frío.hasta que alcance un estado de baja temperatura. 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 generalmente es un gas o un líquido. Durante este proceso, normalmente se pierde algo de calor en el entorno y no se convierte en trabajo. Además, parte de la energía no se puede utilizar debido a la fricción y al arrastre.
En general, un motor 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 . [3] 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 funcionar con prácticamente 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 "ciclo" para los modelos.
Descripción general
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 de indicadores . 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 es la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el disipador de frío, mayor es 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 enfocan en aumentar la temperatura del fuente, dentro de los límites materiales. La máxima eficiencia teórica 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 ( Kelvin ).
La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o utilizados en la actualidad tiene un amplio rango:
- 3% [4] (97 por ciento de calor residual utilizando calor de baja calidad) para la propuesta de conversión de energía térmica oceánica (OTEC).
- 25% para la mayoría de los motores de gasolina para automóviles [5]
- 49% para una central eléctrica de carbón supercrítica como la central eléctrica de Avedøre
- 60% para una turbina de gas de ciclo combinado refrigerada por vapor [6]
La eficiencia de estos procesos es aproximadamente proporcional a la caída de temperatura en ellos. Los equipos auxiliares, como las bombas, pueden consumir una cantidad significativa de energía, lo que reduce de manera efectiva la eficiencia.
Ejemplos de
Es importante tener en cuenta que, aunque algunos ciclos tienen una ubicación de combustión típica (interna o externa), a menudo se pueden implementar con el otro. Por ejemplo, John Ericsson [7] desarrolló un motor con calefacción externa que funciona en un ciclo muy parecido al anterior ciclo Diesel . Además, los motores con calefacción externa a menudo se pueden implementar en ciclos abiertos o cerrados.
Ejemplos cotidianos
Los ejemplos cotidianos de motores térmicos incluyen la central térmica , el motor de combustión interna y las armas de fuego . Todos estos motores térmicos funcionan mediante la expansión de gases calentados.
El motor térmico de la Tierra
La atmósfera y la hidrosfera de la Tierra, el motor térmico de la Tierra, son procesos acoplados que constantemente nivelan los desequilibrios del calentamiento solar mediante la evaporación del agua superficial, la convección, la lluvia, los vientos y la circulación del océano, al distribuir el calor alrededor del globo. [8]
Una celda de Hadley es un ejemplo de 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. [9]
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 Rankine ( máquina de vapor clásica )
- Ciclo regenerativo ( motor de vapor más eficiente que el ciclo Rankine )
- Ciclo de Rankine orgánico (fase de cambio de refrigerante en rangos de temperatura de hielo y agua líquida caliente)
- Vapor a ciclo de líquido ( pájaro de bebida , del inyector , rueda Minto )
- Ciclo de líquido a sólido ( levantamiento de escarcha : el agua que cambia de hielo a líquido y viceversa puede levantar rocas hasta 60 cm).
- Ciclo de sólido a gas ( armas de fuego : los propulsores sólidos se combinan en gases calientes).
Ciclos de solo 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 térmico de Carnot )
- Ciclo de Ericsson (Barco Calórico John Ericsson)
- Ciclo Stirling ( motor Stirling , [10] dispositivos termoacústicos )
- Motor de combustión interna (ICE):
- Ciclo Otto (por ejemplo, motor de gasolina / gasolina )
- Ciclo diésel (por ejemplo, motor diésel )
- Ciclo Atkinson (motor Atkinson)
- Ciclo de Brayton o ciclo de Joule originalmente ciclo de Ericsson ( turbina de gas )
- Ciclo Lenoir (p. Ej., Motor a reacción de pulsos )
- Ciclo Miller (motor Miller)
Ciclos de solo líquido
En estos ciclos y motores el fluido de trabajo es siempre como líquido:
- Ciclo de Stirling ( motor Malone )
- Ciclón regenerador de calor [11]
Ciclos de electrones
- Convertidor de energía termoeléctrica Johnson
- Termoeléctrico ( efecto Peltier-Seebeck )
- Célula termogalvánica
- Emisión termoiónica
- Refrigeración por termotúnel
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 en reversa para mover el calor del lado frío al lado caliente, haciendo que el lado frío sea más frío y el lado caliente más caliente. Las versiones de motor de combustión interna de estos ciclos, por su naturaleza, no son reversibles.
Los ciclos de refrigeración incluyen:
- Máquina de ciclo de aire
- Frigorífico de absorción de gas
- Refrigeración magnética
- Crioenfriador Stirling
- Refrigeración por compresión de vapor
- Ciclo de Vuilleumier
Motores de calor evaporativo
El motor de evaporación 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 caliente y seco.
Motores térmicos mesoscópicos
Los motores térmicos mesoscópicos son dispositivos a nanoescala que pueden cumplir el objetivo de procesar los flujos de calor y realizar un trabajo útil a pequeña escala. Las aplicaciones potenciales incluyen, por ejemplo, dispositivos de refrigeración eléctricos. En tales motores térmicos mesoscópicos, el trabajo por ciclo de operación fluctúa debido al ruido térmico. Existe una igualdad exacta que relaciona el promedio de exponentes de trabajo realizado por cualquier motor térmico y la transferencia de calor del baño de calor más caliente. [12] Esta relación transforma la desigualdad de Carnot en igualdad exacta. Esta relación es también una igualdad del ciclo de Carnot.
Eficiencia
La eficiencia de una máquina térmica se relaciona con la cantidad de trabajo útil que se produce para una determinada cantidad de entrada de energía térmica.
De las leyes de la termodinámica , después de un ciclo completo:
- dónde
- es el trabajo extraído del motor. (Es negativo ya que el trabajo lo realiza el motor).
- es la energía térmica extraída del sistema de alta temperatura. (Es negativo ya que el calor se extrae de la fuente, por lo tanto es positivo.)
- es la energía térmica entregada al sistema de temperatura fría. (Es positivo ya que se agrega calor al fregadero).
En otras palabras, un motor térmico absorbe energía térmica de la fuente de calor de alta temperatura, convirtiendo parte de ella en trabajo útil y entregando el resto al disipador de calor de temperatura fría.
En general, la eficiencia de un proceso de transferencia de calor dado (ya sea un refrigerador, una bomba de calor o un motor) se define informalmente por la relación entre "lo que se saca" y "lo que se pone".
En el caso de un motor, se desea extraer trabajo y se pone en una transferencia de calor.
La eficiencia máxima teórica de cualquier motor térmico depende solo 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 usan ciclos diferentes también pueden alcanzar la máxima eficiencia. Matemáticamente, esto se debe a que en los procesos reversibles , el cambio en la entropía del reservorio frío es el negativo del del reservorio caliente (es decir,), manteniendo el cambio total de entropía cero. Por lo tanto:
dónde es la temperatura absoluta de la fuente caliente yel del fregadero frío, generalmente medido en kelvin . Tenga en cuenta que es positivo mientras es negativo; En cualquier proceso de extracción de trabajo reversible, la entropía en general no aumenta, sino que se mueve de un sistema caliente (de alta entropía) a uno frío (uno de baja entropía), disminuyendo la entropía de la fuente de calor y aumentando la del calor. lavabo.
El razonamiento detrás de esto es la máxima eficiencia es el siguiente. En primer lugar, se supone que si es posible un motor térmico más eficiente que un motor 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 exclusión, la eficiencia de Carnot es un límite superior teórico de la eficiencia confiable de cualquier ciclo termodinámico.
Empíricamente, nunca se ha demostrado que ningún motor térmico funcione con mayor eficiencia que un motor térmico de ciclo Carnot.
La Figura 2 y la Figura 3 muestran variaciones en la eficiencia del ciclo de Carnot. 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.
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 que 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 producir potencia, y rara vez se desea una potencia infinitesimal.
Una medida diferente de la eficiencia ideal del motor térmico viene dada por consideraciones de termodinámica endorreversible , donde el ciclo es idéntico al ciclo de Carnot, excepto que los dos procesos de transferencia de calor no son reversibles (Callen 1985):
- (Nota: Unidades K o ° R )
Este modelo hace un mejor trabajo al predecir qué tan bien pueden funcionar las máquinas térmicas del mundo real (Callen 1985, ver también termodinámica endorreversible ):
Central eléctrica | (° C) | (° C) | (Carnot) | (Endoreversible) | (Observado) |
---|---|---|---|---|---|
Central eléctrica de carbón de West Thurrock (Reino Unido) | 25 | 565 | 0,64 | 0,40 | 0,36 |
Central nuclear CANDU (Canadá) | 25 | 300 | 0,48 | 0,28 | 0,30 |
Central geotérmica de Larderello (Italia) | 80 | 250 | 0,33 | 0,178 | 0,16 |
Como se muestra, la eficiencia endo-reversible modelos mucho más cercanos que los observados.
Historia
Los motores térmicos se conocen desde la antigüedad, pero solo se convirtieron en dispositivos útiles en el momento de la revolución industrial en el siglo XVIII. Siguen desarrollándose hoy.
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 a base de gas, pero los ingenieros han encontrado al menos dos formas de eludir ese límite y una forma de obtener una mejor eficiencia sin doblar ninguna regla:
- Aumente la diferencia de temperatura en el motor térmico. La forma más sencilla de hacer esto es aumentar la temperatura del lado caliente, que es el enfoque utilizado en las turbinas de gas de ciclo combinado modernas . Desafortunadamente, los límites físicos (como el punto de fusión de los materiales utilizados para construir el motor) y las preocupaciones ambientales con respecto a la producción de NO x restringen la temperatura máxima en los motores térmicos que funcionan. Las turbinas de gas modernas funcionan a temperaturas lo más altas posible dentro del rango de temperaturas necesarias para mantener una salida de NO x aceptable [ cita requerida ] . Otra forma de aumentar la eficiencia es reducir la temperatura de salida. Un nuevo método para hacerlo es utilizar fluidos de trabajo químicos mezclados y luego aprovechar el comportamiento cambiante de las mezclas. Uno de los más famosos es el llamado ciclo Kalina , que utiliza una mezcla 70/30 de amoníaco y agua como fluido de trabajo. Esta mezcla permite que el ciclo genere energía útil a temperaturas considerablemente más bajas que la mayoría de los otros procesos.
- Aproveche las propiedades físicas del fluido de trabajo. La explotación más común es el uso de agua por encima del punto crítico o vapor supercrítico. El comportamiento de los fluidos por encima de su punto crítico cambia radicalmente, y con materiales como el agua y el dióxido de carbono es posible explotar esos cambios de comportamiento para extraer una mayor eficiencia termodinámica del motor térmico, incluso si se utiliza un Brayton o Rankine bastante convencional. ciclo. Un material más nuevo y muy prometedor para tales aplicaciones es el CO 2 . El SO 2 y el xenón también se han considerado para tales aplicaciones, aunque el SO 2 es tóxico.
- Aproveche las propiedades químicas del fluido de trabajo. Una hazaña bastante nueva y novedosa es utilizar fluidos de trabajo exóticos con propiedades químicas ventajosas. Uno de ellos es el dióxido de nitrógeno (NO 2 ), un componente tóxico del smog, que tiene un dímero natural como tetraóxido de di-nitrógeno (N 2 O 4 ). A baja temperatura, el N 2 O 4 se comprime y luego se calienta. El aumento de temperatura hace que cada N 2 O 4 se rompa en dos moléculas de NO 2 . Esto reduce el peso molecular del fluido de trabajo, lo que aumenta drásticamente la eficiencia del ciclo. Una vez que el NO 2 se ha expandido a través de la turbina, el disipador de calor lo enfría , lo que lo vuelve a combinar en N 2 O 4 . A continuación, el compresor lo retroalimenta durante otro ciclo. Se han investigado especies tales como bromuro de aluminio (Al 2 Br 6 ), NOCl y Ga 2 I 6 para tales usos. Hasta la fecha, sus inconvenientes no han justificado su uso, a pesar de las ganancias de eficiencia que se pueden lograr. [14]
Procesos de motores térmicos
Ciclo | Compresión, 1 → 2 | Adición de calor, 2 → 3 | Expansión, 3 → 4 | Rechazo de calor, 4 → 1 | Notas |
---|---|---|---|---|---|
Ciclos de energía normalmente con combustión externa o ciclos de bomba de calor: | |||||
Bell Coleman | adiabático | isobárico | adiabático | isobárico | Un ciclo de Brayton invertido |
Carnot | isentrópico | isoterma | isentrópico | isoterma | Motor térmico de Carnot |
Ericsson | isoterma | isobárico | isoterma | isobárico | El segundo ciclo de Ericsson de 1853 |
Rankine | adiabático | isobárico | adiabático | isobárico | Máquina de vapor |
Higroscópico | adiabático | isobárico | adiabático | isobárico | Ciclo higroscópico |
Scuderi | adiabático | presión y volumen variables | adiabático | isocórico | |
Stirling | isoterma | isocórico | isoterma | isocórico | motor Stirling |
Manson | isoterma | isocórico | isoterma | isocórica y luego adiabática | Motor Manson-Guise |
Stoddard | adiabático | isobárico | adiabático | isobárico | |
Ciclos de potencia normalmente con combustión interna : | |||||
Brayton | adiabático | isobárico | adiabático | isobárico | Motor a reacción . La versión de combustión externa de este ciclo se conoce como primer ciclo Ericsson de 1833. |
Diesel | adiabático | isobárico | adiabático | isocórico | Motor diesel |
Lenoir | isocórico | adiabático | isobárico | Chorros de pulso . Tenga en cuenta que 1 → 2 logra tanto el rechazo de calor como la compresión. | |
Otón | isentrópico | isocórico | isentrópico | isocórico | Motores de gasolina / gasolina |
Cada proceso es uno de los siguientes:
- isotérmico (a temperatura constante, mantenido con calor añadido o retirado de una fuente de calor o disipador)
- isobárico (a presión constante)
- isométrico / isocórico (a volumen constante), también conocido como isovolumétrico
- adiabático (no se agrega ni quita calor del sistema durante el proceso adiabático)
- isentrópico (proceso adiabático reversible, no se agrega ni elimina calor durante el proceso isentrópico)
Ver también
- Refrigerador Einstein
- Bomba de calor
- Motor alternativo para una descripción general de la mecánica de los motores de pistón.
- Termosíntesis
- Cronología de la tecnología de motores térmicos
Referencias
- ^ Fundamentos de la termodinámica clásica , 3ª ed. pag. 159, (1985) de GJ Van Wylen y RE Sonntag: "Una máquina térmica puede definirse como un dispositivo que opera en un ciclo termodinámico y realiza una cierta cantidad de trabajo neto positivo como resultado de la transferencia de calor de uncuerpo aalta temperatura y a un cuerpo de baja temperatura. A menudo, el término motor térmico se utiliza en un sentido más amplio para incluir todos los dispositivos que producen trabajo, ya sea mediante transferencia de calor o combustión, aunque el dispositivo no funcione en un ciclo termodinámico. La combustión interna motor y turbina de gas son ejemplos de tales dispositivos, y llamar a estos motores térmicos es un uso aceptable del término ".
- ^ Eficiencia mecánica de los motores térmicos , p. 1 (2007) de James R. Senf: "Los motores térmicos están hechos para proporcionar energía mecánica a partir de energía térmica".
- ^ Física térmica: entropía y energías libres , por Joon Chang Lee (2002), Apéndice A, p. 183: "Un motor térmico absorbe energía de una fuente de calor y luego la convierte en trabajo para nosotros ... Cuando el motor absorbe energía térmica, la energía térmica absorbida viene con entropía". (energía térmica), "Cuando el motor realiza un trabajo, por otro lado, no sale entropía del motor. Esto es problemático. Nos gustaría que el motor repita el proceso una y otra vez para proporcionarnos una fuente de trabajo estable ... entonces, la sustancia de trabajo dentro del motor debe volver a su condición termodinámica inicial después de un ciclo, lo que requiere eliminar la entropía restante. El motor puede hacer esto solo de una manera. Debe dejar salir parte de la energía térmica absorbida sin convertirla. en trabajo. Por lo tanto, ¡el motor no puede convertir toda la energía de entrada en trabajo! "
- ^ Eman, Mahmod Mohamed (junio de 2013). "Investigaciones experimentales en un motor termoacústico de onda estacionaria" (PDF) . ResearchGate . Giza, Egipto: Universidad de El Cairo . Consultado el 21 de enero de 2018 .
- ^ Adónde va la energía: vehículos de gasolina , Departamento de Energía de EE. UU.
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- ^ Junling Huang y Michael B. McElroy (2014). "Contribuciones de las circulaciones de Hadley y Ferrel a la energía de la atmósfera durante los últimos 32 años" . Revista del clima . 27 (7): 2656–2666. Código Bibliográfico : 2014JCli ... 27.2656H . doi : 10.1175 / jcli-d-13-00538.1 .
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- Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Física Térmica (2ª ed.). WH Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.
- Callen, Herbert B. (1985). Termodinámica e Introducción a la Termostatística (2ª ed.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8.