Clasificación de las máquinas térmicas y eficiencia térmica

Las máquinas térmicas son dispositivos esenciales que convierten la energía térmica en trabajo mecánico o, en algunos casos, transforman la energía mecánica en calor. A continuación se presenta una clasificación de las máquinas térmicas más comunes, que se dividen en dos grandes grupos según su función: generadoras de energía mecánica y consumidoras de energía mecánica.

Clasificación de las máquinas térmicas

Generadoras de energía mecánica:

1. De combustión externa:
   • Instalaciones de vapor
   • Turbinas de vapor
2. De combustión interna alternativas:
   • De encendido por chispa
   • De encendido por compresión
3. De combustión interna rotativas:
   • Motor Wankel
   • Turbinas de gas de ciclo abierto

Consumidoras de energía mecánica:

1. Máquinas frigoríficas
2. Bombas de calor

Eficiencia térmica

De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, la conversión de calor en trabajo no es total. Es decir, no se puede transformar toda la energía calorífica recibida en trabajo útil. Para que este proceso ocurra, es necesario contar con una máquina térmica. Sin embargo, las máquinas no tienen un rendimiento del 100%, ya que diversas fuerzas pasivas, como la fricción o la viscosidad en los fluidos, absorben parte de la energía.

En el caso de una máquina o instalación de vapor, podemos observar el siguiente proceso:

1. Fuente caliente: El horno o los quemadores proporcionan calor QhQ_hQh​ a la caldera.
2. Caldera: La caldera genera vapor a alta presión y temperatura (normalmente entre 40-100 atmósferas y más de 400°C).
3. Turbina: El vapor se transforma en trabajo WsW_sWs​ mediante una turbina o un cilindro-pistón.
4. Condensador: El vapor se condensa a una presión y temperatura más bajas, cediendo calor ∣Qc∣|Q_c|∣Qc​∣ a una fuente fría (como un río o el mar).
5. Bomba: Después de la condensación, el agua líquida es enviada de nuevo a la caldera mediante una bomba que consume trabajo WeW_eWe​.

El trabajo neto WWW de salida es la diferencia entre el trabajo producido WsW_sWs​ y el trabajo utilizado por la bomba WeW_eWe​, y puede expresarse como:W=Ws−We=Qh−∣Qc∣W = W_s – W_e = Q_h – |Q_c|W=Ws​−We​=Qh​−∣Qc​∣

El rendimiento o eficiencia térmica ηt\eta_tηt​ se calcula mediante la siguiente fórmula:ηt=WQh\eta_t = \frac{W}{Q_h}ηt​=Qh​W​

Este rendimiento indica la fracción de la energía térmica proporcionada por la fuente caliente que se convierte en trabajo útil, y nos recuerda que no toda la energía es transformada, pues siempre hay pérdidas en forma de calor que no se pueden aprovechar.