Motor térmico para niños

Un motor térmico es una máquina especial que convierte el calor en movimiento o trabajo. Imagina que tienes algo muy caliente (una fuente de calor) y algo más frío (un lugar donde el calor se va). El motor térmico aprovecha esta diferencia de temperatura. El calor se mueve del lugar caliente al lugar frío, y en ese proceso, una parte de ese calor se transforma en energía que hace que el motor se mueva.

Para que un motor térmico funcione, necesita calor. Este calor suele venir de la energía química que se libera al quemar algo, como la gasolina o el carbón. Un líquido o gas dentro del motor, llamado "fluido de trabajo", absorbe este calor y es lo que hace que las piezas se muevan.

Hay dos tipos principales de motores térmicos:

• Motores de combustión externa: Aquí, el combustible se quema fuera del motor. El calor que se produce se transfiere al fluido de trabajo, que luego mueve el motor. Un ejemplo clásico es la máquina de vapor.
• Motores de combustión interna: En estos motores, el combustible se quema directamente dentro del motor. Los gases calientes de la combustión son los que empujan las piezas y generan movimiento. Los motores de los coches son un buen ejemplo.

El fluido de trabajo puede ser vapor de agua, aire o los gases que resultan de quemar combustibles. En las centrales de energía nuclear, el calor proviene de la energía que se libera al dividir átomos, y ese calor se usa para calentar un fluido que luego mueve el motor.

Historia de los motores térmicos

En 1765, un inventor escocés llamado James Watt creó la primera máquina de vapor realmente eficiente. Este invento fue muy importante porque marcó el inicio de la Revolución Industrial. Antes, la gente dependía mucho de la fuerza muscular, pero con las máquinas de vapor, las fábricas pudieron producir mucho más, mejorando la vida de las personas.

Cien años después, los motores de combustión interna cambiaron por completo el transporte. Gracias a ellos, pudimos viajar más rápido por tierra, mar y aire.

La máquina de vapor

La máquina de vapor es un tipo de motor de combustión externa. Funciona usando la fuerza del vapor de agua para mover una pieza llamada émbolo, lo que a su vez produce movimiento.

¿Cómo se desarrolló la máquina de vapor?

En 1691, el ingeniero inglés Thomas Savery fue uno de los primeros en usar la presión del vapor para sacar agua de las minas y pozos. También la usó para mover ruedas de agua. Sin embargo, sus máquinas a menudo explotaban por la alta presión y perdían mucho calor.

En 1698, Thomas Savery patentó su invento. Poco después, el herrero inglés Thomas Newcomen construyó una máquina de vapor mejor. Esta máquina trabajaba con presiones más bajas y tenía un pistón y un cilindro, lo que la hacía más segura y eficiente.

En 1765, James Watt mejoró aún más la máquina de Newcomen. En 1782, construyó la primera máquina de vapor moderna, que fue un gran avance.

Más tarde, en 1787, el inventor estadounidense John Fitch construyó un barco de vapor, aunque no tuvo éxito económico.

En 1807, Robert Fulton lanzó el Clermont, que se considera el primer barco de vapor exitoso.

Finalmente, en 1814, el inglés George Stephenson construyó la primera locomotora de vapor, lo que revolucionó el transporte terrestre.

Partes y funcionamiento de la máquina de vapor

Una máquina de vapor tiene varias partes clave:

• Hogar: Es el lugar donde se quema el combustible (como carbón o madera) para producir calor.
• Caldera: Es un gran recipiente de acero donde el agua se calienta y se convierte en vapor. La caldera tiene medidores para saber cuánta agua hay y qué presión tiene el vapor. También tiene una válvula de seguridad que se abre si la presión es demasiado alta, para evitar accidentes. El agua entra a la caldera, se calienta y se convierte en vapor a alta presión.
• Cilindro motor: Aquí es donde el vapor de agua hace su trabajo. El vapor entra en el cilindro y empuja un émbolo (una especie de disco que se mueve de un lado a otro). Después de empujar el émbolo, el vapor sale por otro orificio, a veces hacia una chimenea o a un condensador. En el condensador, el vapor se enfría y vuelve a ser agua líquida, que luego se envía de nuevo a la caldera para repetir el ciclo.
• Mecanismos de movimiento: Son piezas como el vástago, la biela y la manivela. Estas piezas están conectadas y transforman el movimiento de ida y vuelta del émbolo en un movimiento circular. La manivela está unida a un volante de inercia, que ayuda a que el movimiento sea suave y constante.

El ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine es una forma de describir cómo funciona una máquina de vapor de manera ideal. Fue propuesto por el ingeniero escocés J. M. Rankine. Este ciclo explica cómo el agua se calienta, se convierte en vapor, se expande para hacer trabajo y luego se enfría para volver a ser agua, repitiendo el proceso.

¿Qué tan potente es una máquina de vapor?

La potencia de una máquina de vapor depende de la presión y la cantidad de vapor que entra al cilindro en un tiempo determinado. Cuanto más vapor a mayor presión, más potente será la máquina.

Las máquinas de vapor se usaron mucho en locomotoras y barcos. Hoy en día, han sido reemplazadas en gran parte por motores de combustión interna, que son más eficientes y compactos.

La turbina de vapor

La turbina de vapor es otro tipo de motor térmico que usa vapor de agua. En lugar de un émbolo que se mueve de un lado a otro, el vapor se dirige hacia unas paletas en una rueda, haciéndola girar a muy alta velocidad (¡hasta 10,000 vueltas por minuto!).

Las turbinas de vapor son muy eficientes porque no tienen tantas piezas móviles como las máquinas de vapor antiguas. Se usan mucho en las centrales eléctricas para generar electricidad, en la propulsión de buques grandes y en algunas instalaciones industriales.

Principios básicos de los motores térmicos

Todos los motores térmicos siguen algunas reglas importantes de la Termodinámica:

• Cuando el calor se convierte en trabajo (o viceversa), siempre hay una relación constante entre la cantidad de trabajo que se hace y el calor que se usa.
• Un motor térmico solo puede funcionar si toma calor de un lugar caliente y libera una parte de ese calor a un lugar más frío. El calor no puede pasar por sí solo de un objeto frío a uno caliente.

Eficiencia de los motores térmicos

La eficiencia de un motor térmico nos dice qué tan bien convierte el calor en trabajo útil. No todo el calor se convierte en trabajo; una parte siempre se "desperdicia" como calor que se libera.

Por ejemplo, los motores de la mayoría de los coches tienen una eficiencia de alrededor del 25%, lo que significa que el 75% del calor del combustible se pierde. Las grandes centrales eléctricas de carbón pueden alcanzar un 35% de eficiencia. Las turbinas de gas más modernas, que usan ciclos combinados, pueden llegar hasta el 60% de eficiencia. La eficiencia depende mucho de la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el lugar frío. Cuanto mayor sea esa diferencia, mayor puede ser la eficiencia.

Tipos de motores térmicos

Los motores térmicos se pueden clasificar de varias maneras:

• Si el fluido de trabajo se puede condensar (como el agua) o no (como el aire).
• Si la combustión ocurre fuera (combustión externa) o dentro (combustión interna) del motor.

Motores de combustión interna

En los motores de combustión interna, el combustible se quema dentro de un cilindro. Los gases calientes que se producen son los que empujan el pistón y generan el movimiento.

Hay diferentes tipos de motores de combustión interna, dependiendo del combustible que usan y cómo se produce la combustión. Algunos tienen un movimiento de ida y vuelta (alternativo), como los motores de los coches, y otros tienen un movimiento giratorio (rotativo), como las turbinas de gas.

En los motores de movimiento alternativo, la combustión es muy rápida, a menudo provocada por una chispa eléctrica. Por eso, usan combustibles que se queman fácilmente, como la gasolina. En los motores rotativos, la combustión es más gradual y usan combustibles como el gasóleo.

En estos motores, los gases de la combustión son los que circulan por la máquina. Esto significa que el ciclo es "abierto", y el aire es el fluido de trabajo.

Motores de explosión (o de encendido provocado)

El motor de explosión más común es el motor de cuatro tiempos, que se encuentra en la mayoría de los coches. Sus partes principales son:

• Inyector: Es un dispositivo que rocía la gasolina en el cilindro o en el conducto de entrada de aire. Los motores más antiguos usaban un carburador para mezclar la gasolina con el aire.
• Cilindro: Es el lugar donde ocurre la combustión. Dentro del cilindro hay un émbolo (o pistón) que se mueve. También tiene válvulas de admisión (para que entre la mezcla de aire y combustible) y de escape (para que salgan los gases quemados). Una bujía produce una chispa eléctrica que enciende la mezcla.
• Mecanismos de movimiento: La biela y el cigüeñal son las piezas que transforman el movimiento de ida y vuelta del pistón en un movimiento circular, que es el que hace girar las ruedas del coche. Todas estas piezas están dentro de una carcasa llamada bastidor-cárter, que también contiene el lubricante (aceite) para que las piezas se muevan suavemente y no se desgasten.

El ciclo de Otto

El ciclo de Otto describe cómo funciona un motor de gasolina de cuatro tiempos. Fue ideado por Beau de Rochas y usado por primera vez por Nikolaus Otto. Se llama "cuatro tiempos" porque el pistón realiza cuatro movimientos principales:

• Primer tiempo: Admisión. El pistón baja, la válvula de admisión se abre y la mezcla de gasolina y aire entra en el cilindro.
• Segundo tiempo: Compresión. El pistón sube, las válvulas se cierran y la mezcla de gasolina y aire se comprime.
• Tercer tiempo: Explosión-expansión. Cuando la mezcla está muy comprimida, la bujía produce una chispa. La mezcla explota, empujando el pistón hacia abajo con mucha fuerza.
• Cuarto tiempo: Escape. La válvula de escape se abre y el pistón sube, expulsando los gases quemados fuera del cilindro.

La eficiencia de un motor de gasolina depende de cuánto se comprime la mezcla. Sin embargo, si la compresión es demasiado alta, la gasolina puede explotar antes de que salte la chispa, lo que se llama "autoignición" o "detonación". Esto produce un ruido y puede dañar el motor. Para evitarlo, se usan gasolinas con aditivos especiales.

Las gasolinas se clasifican por su "número de octano", que indica qué tan bien resisten la detonación. Cuanto mayor es el número de octano, mejor resiste la gasolina la autoignición. Antiguamente se usaba tetraetilo de plomo para mejorar esto, pero contaminaba el aire y dañaba el motor. Hoy en día, se usan gasolinas sin plomo con otros aditivos más seguros.

Motores de combustión externa

En los motores de combustión externa, el calor se produce fuera del motor y se transfiere al fluido de trabajo a través de una pared, como en un intercambiador de calor. Esto significa que no hay una combustión directa dentro del motor.

Estos motores pueden usar diferentes fuentes de calor, no solo la quema de combustibles. Por ejemplo, en las centrales nucleares, el calor de la división de átomos se usa para calentar el fluido. Como el fluido de trabajo no se "contamina" con la combustión, estos motores pueden funcionar en un "ciclo cerrado", lo que significa que el mismo fluido se usa una y otra vez, lo cual es más económico.

Galería de imágenes

• 

  Diagrama de una máquina térmica motora.

• 

  Esquema de una máquina de Carnot.

• 

  Proceso del cilo de Rankine.

• 

  Motor antiguo de combustión interna.

Véase también

En inglés: Heat engine Facts for Kids