Motores Térmicos y Bombas de Calor: Funcionamiento, Componentes y Eficiencia

Motores Térmicos: Principios y Funcionamiento

Un motor térmico es una máquina que transforma la energía térmica en energía mecánica, la cual puede ser utilizada directamente para producir trabajo.

Funcionamiento del Motor de Ciclo Otto (Cuatro Tiempos)

El motor de ciclo Otto, comúnmente encontrado en automóviles, opera en cuatro tiempos:

1. Admisión: La válvula de admisión se abre, permitiendo que la mezcla de aire y combustible ingrese al cilindro mientras el pistón se mueve desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI). Este proceso ocurre a presión constante.
2. Compresión: La válvula de admisión se cierra y el pistón asciende, comprimiendo la mezcla aire-combustible. Esta compresión aumenta la temperatura de la mezcla y es un proceso adiabático reversible (isentrópico). Se requiere trabajo para realizar esta compresión.
3. Explosión (Combustión): Cuando el pistón alcanza el PMS, la bujía genera una chispa que provoca la explosión de la mezcla. Esta explosión libera calor y fuerza al pistón a descender. Este proceso se considera que ocurre a volumen constante.
4. Escape: La válvula de escape se abre y el pistón asciende, expulsando los gases de combustión fuera del cilindro.

Bombas de Calor: Principios y Componentes

Las bombas de calor son dispositivos que transfieren calor de un espacio frío a uno caliente, utilizando un ciclo de refrigeración. Las bombas de calor convencionales constan de los siguientes componentes principales:

• Evaporador (intercambiador de calor que extrae calor del ambiente exterior)
• Condensador (intercambiador de calor que libera calor al ambiente interior)
• Compresor (aumenta la presión y temperatura del refrigerante)
• Válvula de expansión (reduce la presión y temperatura del refrigerante)

En esencia, una bomba de calor funciona como un refrigerador invertido. El evaporador se encuentra en el exterior de la vivienda (donde se extrae el calor), y el condensador se encuentra en el interior (donde se libera el calor).

Concepto de COP (Coeficiente de Rendimiento)

El COP (Coefficient Of Performance), o coeficiente de rendimiento, es una medida de la eficiencia de una bomba de calor. Se define como el cociente entre la energía térmica cedida al foco caliente (calor entregado) y la energía consumida por el compresor.

Un COP más alto indica una mayor eficiencia, ya que se transfiere más calor por cada unidad de energía consumida.

Definiciones Clave en Motores Térmicos

• Punto Muerto Superior (PMS): La posición del pistón más cercana a la culata (parte superior del cilindro).
• Punto Muerto Inferior (PMI): La posición del pistón más alejada de la culata.
• Diámetro del Cilindro: El diámetro de la sección transversal circular del cilindro.
• Carrera: La distancia lineal que recorre el pistón entre el PMS y el PMI. Es igual al doble del radio de giro de la manivela del cigüeñal.
• Volumen Total del Cilindro: El espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando este se encuentra en el PMI.
• Volumen de la Cámara de Combustión: El espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando este se encuentra en el PMS.
• Cilindrada: El volumen desplazado por el pistón en su movimiento desde el PMI hasta el PMS. Se calcula como: Cilindrada = (π/4) * (Diámetro)^2 * Carrera.
• Relación de Compresión: La relación entre el volumen total del cilindro y el volumen de la cámara de combustión. Indica cuánto se comprime la mezcla aire-combustible.

Diagrama del Ciclo de Otto

El ciclo de Otto idealizado se puede representar en un diagrama termodinámico de la siguiente manera:

• A-B: Expansión isóbara (admisión).
• B-C: Compresión adiabática.
• C-D: Combustión isócora (a volumen constante).
• D-E: Expansión adiabática.
• E-B: Enfriamiento isócoro (a volumen constante).
• B-A: Compresión isóbara (escape).