Los motores térmicos transforman la energía térmica, o calor, Qin en energía mecánica, o trabajo, Wout. No pueden realizar esta tarea a la perfección, por lo que parte de la energía térmica de entrada no se convierte en trabajo, sino que se disipa como calor residual Qout en el entorno
Q i n = W o u t + Q o u t {\displaystyle Q_{in}=W_{rm {out}+Q_{rm {out}},
La eficiencia térmica de un motor térmico es el porcentaje de energía térmica que se transforma en trabajo. La eficiencia térmica se define como
η t h ≡ W o u t Q i n = Q i n – Q o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {displaystyle \eta _{rm {th}}equiv {\frac {W_{rm {out}}{Q_{rm {in}}}}={frac {{Q_{rm {in}}-Q_{rm {out}}{Q_{rm {in}}}}=1-{{frac}} {Q_{rm {out}}{{in}}}}}
La eficiencia incluso de los mejores motores térmicos es baja; normalmente por debajo del 50% y a menudo muy por debajo. Por lo tanto, la energía que pierden los motores térmicos en el medio ambiente es un gran desperdicio de recursos energéticos. Dado que una gran parte de los combustibles producidos en todo el mundo se destina a alimentar los motores térmicos, quizás hasta la mitad de la energía útil producida en todo el mundo se desperdicia en la ineficiencia de los motores, aunque los modernos sistemas de cogeneración, ciclo combinado y reciclaje de energía están empezando a utilizar este calor para otros fines. Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas. En primer lugar, existe un límite teórico general a la eficiencia de cualquier motor térmico debido a la temperatura, denominado eficiencia de Carnot. En segundo lugar, determinados tipos de motores tienen límites más bajos en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente al ciclo del motor que utilizan. En tercer lugar, el comportamiento no ideal de los motores reales, como el rozamiento mecánico y las pérdidas en el proceso de combustión provocan más pérdidas de eficiencia.
Eficiencia de CarnotEditar
La segunda ley de la termodinámica pone un límite fundamental a la eficiencia térmica de todos los motores térmicos. Incluso un motor ideal, sin fricción, no puede convertir en trabajo ni de lejos el 100% de su calor de entrada. Los factores limitantes son la temperatura a la que el calor entra en el motor, T H {{displaystyle T_{rm {H}},}
, y la temperatura del entorno al que el motor expulsa su calor residual, T C {{displaystyle T_{rm {C}},}
, medida en una escala absoluta, como la escala Kelvin o Rankine. A partir del teorema de Carnot, para cualquier motor que trabaje entre estas dos temperaturas: η t h ≤ 1 – T C T H {\displaystyle \eta _{rm {th}}leq 1-{\frac {T_{rm {C}}{T_{rm {H}}}}},}
Este valor límite se llama eficiencia del ciclo de Carnot porque es la eficiencia de un ciclo de motor inalcanzable, ideal y reversible llamado ciclo de Carnot. Ningún dispositivo que convierta el calor en energía mecánica, independientemente de su construcción, puede superar este rendimiento.
Ejemplos de T H {{displaystyle T_{rm {H}},}
son la temperatura del vapor caliente que entra en la turbina de una central de vapor, o la temperatura a la que arde el combustible en un motor de combustión interna. T C {{displaystyle T_{rm {C}},}
suele ser la temperatura ambiente donde se encuentra el motor, o la temperatura de un lago o río al que se vierte el calor residual. Por ejemplo, si un motor de automóvil quema gasolina a una temperatura de T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {{displaystyle T_{rm {H}}=816^{circ }{text{C}}=1500^{circ }{text{F}}=1089{text{K}},
, entonces su máxima eficiencia posible es η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % {\displaystyle \\\a}leq \a}left(1-{\frac {294K}{1089K}\a}right)100\%=73,0\a}.
Puede verse que como T C {{displaystyle T_{rm {C}},}
está fijado por el entorno, la única manera de que un diseñador aumente la eficiencia de Carnot de un motor es aumentar T H {{displaystyle T_{rm {H}},}
, la temperatura a la que se añade el calor al motor. La eficiencia de los motores térmicos ordinarios también suele aumentar con la temperatura de funcionamiento, y los materiales estructurales avanzados que permiten que los motores funcionen a temperaturas más altas son un área de investigación activa.
Debido a las otras causas que se detallan a continuación, los motores prácticos tienen eficiencias muy por debajo del límite de Carnot. Por ejemplo, el motor medio de un automóvil tiene un rendimiento inferior al 35%.
El teorema de Carnot se aplica a los ciclos termodinámicos, donde la energía térmica se convierte en trabajo mecánico. Los dispositivos que convierten la energía química de un combustible directamente en trabajo eléctrico, como las pilas de combustible, pueden superar la eficiencia de Carnot.
Eficiencia del ciclo del motorEditar
El ciclo de Carnot es reversible y, por tanto, representa el límite superior de la eficiencia de un ciclo de motor. Los ciclos de motor prácticos son irreversibles y, por lo tanto, tienen una eficiencia inherentemente menor que la eficiencia de Carnot cuando se operan entre las mismas temperaturas T H {{displaystyle T_{rm {H}},
y T C {{displaystyle T_{rm {C}},}
. Uno de los factores que determinan la eficiencia es cómo se añade el calor al fluido de trabajo en el ciclo, y cómo se elimina. El ciclo de Carnot alcanza la máxima eficiencia porque todo el calor se añade al fluido de trabajo a la temperatura máxima T H {{displaystyle T_{rm {H}},}
, y se elimina a la temperatura mínima T C {{displaystyle T_\rm {C}},}
. Por el contrario, en un motor de combustión interna, la temperatura de la mezcla de combustible y aire en el cilindro no se acerca a su temperatura máxima cuando el combustible comienza a arder, y sólo alcanza la temperatura máxima cuando se consume todo el combustible, por lo que la temperatura media a la que se añade el calor es menor, lo que reduce la eficiencia.
Un parámetro importante en la eficiencia de los motores de combustión es la relación de calor específico de la mezcla aire-combustible, γ. Esta varía un poco con el combustible, pero generalmente se acerca al valor del aire de 1,4. Este valor estándar se suele utilizar en las ecuaciones del ciclo del motor que se indican a continuación, y cuando se realiza esta aproximación el ciclo se denomina ciclo estándar de aire.
- Ciclo Otto: automóviles El ciclo Otto es el nombre del ciclo utilizado en los motores de combustión interna de encendido por chispa, como los motores de automóviles de gasolina e hidrógeno. Su rendimiento teórico depende de la relación de compresión r del motor y de la relación de calor específico γ del gas en la cámara de combustión.:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\displaystyle \ {{rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}},
Así, la eficiencia aumenta con la relación de compresión. Sin embargo, la relación de compresión de los motores de ciclo Otto está limitada por la necesidad de evitar la combustión incontrolada conocida como golpeteo. Los motores modernos tienen relaciones de compresión en el rango de 8 a 11, lo que resulta en eficiencias de ciclo ideal del 56% al 61%.
- Ciclo diésel: camiones y trenes En el ciclo diésel utilizado en los motores diésel de camiones y trenes, el combustible se enciende por compresión en el cilindro. El rendimiento del ciclo Diesel depende de r y γ como el ciclo Otto, y también de la relación de corte, rc, que es la relación del volumen del cilindro al principio y al final del proceso de combustión:
η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {\displaystyle \eta _{rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}-1)}},
El ciclo Diesel es menos eficiente que el ciclo Otto cuando se utiliza la misma relación de compresión. Sin embargo, en la práctica, los motores diesel son entre un 30% y un 35% más eficientes que los de gasolina. Esto se debe a que, como el combustible no se introduce en la cámara de combustión hasta que se necesita para el encendido, la relación de compresión no está limitada por la necesidad de evitar el golpeteo, por lo que se utilizan relaciones más altas que en los motores de encendido por chispa.
- Ciclo Rankine: centrales eléctricas de vapor El ciclo Rankine es el ciclo utilizado en las centrales eléctricas de turbina de vapor. La inmensa mayoría de la energía eléctrica del mundo se produce con este ciclo. Dado que el fluido de trabajo del ciclo, el agua, cambia de líquido a vapor y viceversa durante el ciclo, sus eficiencias dependen de las propiedades termodinámicas del agua. La eficiencia térmica de las modernas plantas de turbinas de vapor con ciclos de recalentamiento puede alcanzar el 47%, y en las plantas de ciclo combinado, en las que una turbina de vapor se alimenta del calor de escape de una turbina de gas, puede acercarse al 60%.
- Ciclo Brayton: turbinas de gas y motores a reacción El ciclo Brayton es el utilizado en las turbinas de gas y los motores a reacción. Consiste en un compresor que aumenta la presión del aire entrante, luego se añade continuamente combustible al flujo y se quema, y los gases de escape calientes se expanden en una turbina. El rendimiento depende en gran medida de la relación entre la presión en el interior de la cámara de combustión p2 y la presión en el exterior p1
η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {\displaystyle \_{rm {th}}=1-{\bigg (}{\frac {p_{2}}{p_{1}}{bigg )}^{\frac {1-{gamma }{\gamma }},
Otras ineficienciasEditar
No hay que confundir la eficiencia térmica con otras eficiencias que se utilizan cuando se habla de motores. Las fórmulas de eficiencia anteriores se basan en modelos matemáticos simples e idealizados de motores, sin fricción y con fluidos de trabajo que obedecen a reglas termodinámicas simples llamadas ley de los gases ideales. Los motores reales tienen muchas desviaciones del comportamiento ideal que desperdician energía, reduciendo las eficiencias reales por debajo de los valores teóricos dados anteriormente. Los ejemplos son:
- fricción de las partes móviles
- combustión ineficiente
- pérdida de calor de la cámara de combustión
- desviación del fluido de trabajo de las propiedades termodinámicas de un gas ideal
- arrastramiento aerodinámico del aire que se mueve a través del motor
- energía utilizada por los equipos auxiliares como las bombas de aceite y agua.
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.