Máquina térmica

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía.

En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacción de combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida.^[1]​

Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:

Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energía con el entorno. Aplicando el primer principio de la termodinámica para un sistema abierto, el incremento de energía del sistema en un intervalo de tiempo se expresa en:

${displaystyle Delta E_{sistema}=Q+W+sum _{in}m_{in}(h+{frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-sum _{out}m_{out}(h+{frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}}$

donde;

Haciendo la derivada de la expresión anterior respecto al tiempo, se obtiene:

${displaystyle {frac {dE_{sistema}}{dt}}={dot {Q}}+{dot {W}}+{dot {m}}_{in}(h+{frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-{dot {m}}_{out}(h+{frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}}$

Debe tenerse en cuenta que en máquinas generadoras, puede aparecer esta expresión con el signo de W cambiado, para que se exprese el trabajo entregado por la máquina y así W sea positivo.

La ecuación que expresa el balance de energía puede simplificarse en los siguientes casos:

Cuando el sistema está en reposo, tal como en máquinas estacionarias, las variaciones de energía potencial y energía cinética serán nulas.

Cuando la máquina funciona en régimen permanente, las cantidades de masa y energía que entran son iguales a las que salen, pues de lo contrario variarían esa cantidades dentro del sistema.

En la mayoría de las máquinas térmicas, diferencia de energía potencial del flujo que sale respecto al que entra es poco significativo en comparación con los otros términos asociados a la energía del flujo.

En la mayoría de las máquinas térmicas, la transferencia de calor es despreciable frente a otros intercambios de energía. Teniendo en cuenta la transmisión de calor por conducción y convección:

donde Q es el calor intercambiado, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es la superficie del sistema y ${displaystyle Delta T_{LM}}$ es la diferencia de temperaturas media logarítmica, puede considerarse que el sistema es adiabático cuando se da alguna de las siguientes condiciones:

En una máquina térmica que funciona en régimen permanente en la cual se desprecie la variación de energía potencial, la expresión el primer principio de la termodinámica puede expresarse como

${displaystyle {dot {W}}={dot {m}}[(h+{frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{frac {V^{2}}{2}})_{in}]={dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]}$

donde h₀ es la entalpía de parada.

En los ciclos termodinámicos asociados a la turbina de vapor, la energía cinética específica puede considerarse despreciable frente a la entalpía, resultando

${displaystyle {dot {W}}={dot {m}}[(h+{frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{frac {V^{2}}{2}})_{in}]={dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]}$

Para el cálculo del rendimiento, se relaciona la energía obtenida, ya sea en forma de incremento de energía en el fluido o de energía mecánica suministrada por la máquina, entre la máxima energía que se podría obtener en las condiciones de contorno.

El trabajo específico máximo que puede obtenerse en la expansión de un fluido está definido por la diferencia de entalpías entre el fluido a la entrada y las condiciones isoentrópicas a la presión de salida. En cambio el trabajo real es menor a éste debido al aumento de la entropía.^[2]​

El rendimiento mecánico es la relación entre potencia efectiva ((${displaystyle {dot {W}}_{e}}$), que es la potencia obtenida en el eje, y la potencia interna ((${displaystyle {dot {W}}_{i}}$), que es la variación por unidad de tiempo de la energía del fluido. La potencia efectiva resulta de restar a la potencia indicada menos la potencia de pérdidas mecánicas (${displaystyle {dot {W}}_{pm}}$), que es disipada el rozamiento de elementos mecánicos (cojinetes, retenes, etc.) y en el accionamiento de elementos auxiliares (bomba de aceite, ventiladores, etc.)

El rendimiento isoentrópico relaciona la potencia obtenida en el eje con potencia máxima del proceso isoentrópico en las mismas condiciones de contorno.

El trabajo específico mínimo para comprimir un fluido desde un estado térmico hasta una presión determinada es igual al salto entálpico del correspondiente proceso isoentrópico, de forma que un proceso real presentará mayor diferencia de entalpías del fluido entre la entrada y la salida.^[2]​

El rendimiento mecánico es la relación entre potencia efectiva ((${displaystyle {dot {W}}_{e}}$), que es la potencia obtenida en el eje, y la potencia interna ((${displaystyle {dot {W}}_{i}}$), que es la variación por unidad de tiempo de la energía del fluido. La potencia efectiva resulta de restar a la potencia indicada menos la potencia de pérdidas mecánicas (${displaystyle {dot {W}}_{pm}}$), que es disipada el rozamiento de elementos mecánicos (cojinetes, retenes, etc.) y en el accionamiento de elementos auxiliares (bomba de aceite, ventiladores, etc.)

El rendimiento isoentrópico relaciona potencia mínima del proceso isoentrópico en las mismas condiciones de contorno con la potencia suministrada en el eje.

La fuerza de la energía térmica varía con el material que se utiliza para emitir la energía térmica