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Introducción Uno de los problemas más importantes de la ingeniería moderna es la transformación de las

fuentes de energía en aquellas formas que sean más fácilmente aprovechadas. La forma más adecuada para satisfacer nuestras necesidades es la energía mecánica. Sin embargo, la naturaleza nos suministra energía en forma tal que, en la mayoría de los casos, se requiere una serie de transformaciones antes de contar con la energía mecánica que nos permitirá efectuar un trabajo.

Una de las formas de energía a las que se tiene más fácilmente acceso es la energía térmica, es decir, la energía que se transfiere en forma de calor como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta energía puede ser tomada de fuentes muy diversas como la nuclear, la eléctrica, si bien la más habitual es la que se obtiene a partir de la combustión de determinados combustibles.

Esta energía térmica, también denominada energía calorífica, puede ser aprovechada por determinadas máquinas para su conversión en energía mecánica; son las denominadas, de forma genérica, máquinas térmicas. Estas máquinas térmicas son dispositivos que permiten obtener un trabajo útil a partir del calor, obedeciendo siempre los principios de la termodinámica, por lo que comenzaremos el desarrollo del tema por el estudio de dichos principios.

Principios de la termodinámica Los orígenes de la Termodinámica y sus leyes se encuentran en una serie de inventos

prácticos que se llevaron a cabo durante la revolución industrial en el pasado siglo, y en particular en el descubrimiento de la máquina de vapor. La obtención de trabajo mecánico mediante la máquina de vapor precisaba de la combustión de carburante acompañada de una transferencia de calor entre la llama y la sustancia de trabajo en la máquina, generalmente agua.

Calor y trabajo en los procesos termodinámicosCuando un sistema experimenta un desplazamiento bajo la acción de una fuerza, se dice

que se ha realizado trabajo, siendo la cantidad de trabajo igual al producto del desplazamiento por la componente paralela a éste de la fuerza. Matemáticamente, el trabajo vendrá dado por:

Si un sistema en conjunto ejerce una fuerza sobre el medio exterior y tiene lugar un desplazamiento, el trabajo realizado por o sobre el sistema se denomina trabajo exterior. Si el trabajo se realiza, sin embargo, por una parte del sistema sobre otra, se denomina trabajo interno (por ejemplo, las acciones mutuas de las moléculas). El trabajo interno no tiene interés en termodinámica y sólo se considera el trabajo que supone una interacción entre el sistema y su medio exterior.

En termodinámica sólo se estudian los sistemas en equilibrios, los cuales vienen caracterizados por los valores que toman sus variables termodinámicas, que a su vez estarán relacionadas entre sí por las denominadas ecuaciones de estado. Un sistema puede requerir para su completa caracterización de múltiples variables, pero para muchos sistemas sencillos son suficientes tres variables únicamente, siendo la temperatura una de ellas siempre.

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Un sistema que presenta un especial interés en el desarrollo de la termodinámica, es el caso de un sistema hidrostático, y en particular el de un gas encerrado en un recipiente. Para este sistema, sus estados de equilibrio vendrán especificados por tres variables: la temperatura, la presión y el volumen. En el caso de que consideremos un comportamiento ideal para el gas encerrado, estas tres magnitudes están relacionadas por la ecuación de estado del gas ideal PV = nRT.

Consideremos el sistema formado un gas encerrado en un cilindro por un pistón, que puede desplazarse sin rozamiento. Supongamos que la presión en el interior del pistón, es decir en el sistema, y en el exterior, el entorno, es la misma. Por tanto, al ser el área del pistón la misma por ambos lados, las fuerzas que actúan sobre el pistón serán iguales y de sentido opuesto, encontrándose éste en equilibrio mecánico. Si se aumenta una cantidad infinitesimal la presión en el exterior, se producirá un desequilibrio infinitesimal de fuerzas, de tal forma que el pistón se moverá hacia la derecha una distancia infinitesimal, dx, disminuyendo el volumen del sistema y aumentando la presión del mismo hasta que se iguale con la exterior, (suponemos la temperatura constante). Durante este proceso, que ocurre a una velocidad infinitesimal, el sistema estará infinitesimalmente próximo al equilibrio.

El pistón, que pertenece al entorno, ha ejercido una fuerza, Fx, sobre la materia del sistema en la frontera sistema – pistón, de modo que esta materia se ha movido una distancia dx. El entorno, por tanto, ha realizado un trabajo sobre el sistema. La fuerza aplicada por el pistón sobre el sistema podemos expresarla en función de la presión: F = P/A. Además, el volumen del cilindro es:

V = A·L = A(b - x) dV = - Adx y por tanto: dWrev = PA dx = - PdV

En el caso de que el sistema no se comprima sino que se expanda, es decir, se diminuye la presión exterior, el pistón se moverá hacia fuera y el desplazamiento de materia en la frontera sistema – pistón será negativo, dx < 0. Puesto que el sentido de F de no ha cambiado (el pistón sigue ejerciendo fuerza en el sentido positivo de las x), el trabajo realizado sobre el sistema por el entorno es negativo.

El proceso descrito corresponde a un proceso reversible o cuasi-estático, que es aquel que se realiza mediante un número infinito de etapas, cada una de las cuales está sólo infinitesimalmente alejada del equilibrio. Puesto que en los procesos reversibles no aparecen pérdidas o disipaciones de la energía debidas a fenómenos de rozamiento, etc., el trabajo que el sistema realiza sobre el medio es exactamente el mismo, aunque de signo contrario, que el que el medio realizaría sobre el sistema en el proceso contrario. Por lo tanto, al finalizar un proceso reversible tanto el sistema como el medio ambiente pueden ser reintegrados a sus estados iniciales, sin ocasionar ningún cambio en el medio ambiente. Si no se cumple la condición de que el sistema, en cada estado intermedio del proceso, esté en equilibrio virtual con su medio ambiente y de que en el proceso no aparezcan efectos disipativos de energía, el proceso corresponderá a una transformación irreversible.

Un aspecto de especial importancia, es que el trabajo realizado sobre un sistema en un proceso irreversible al ir del estado 1 al estado 2, dependerá de la trayectoria seguida en el proceso; y lo mismo ocurre con el calor intercambiado por un sistema con su entorno en el transcurso del proceso. Esto supone que el trabajo y el calor no son funciones de estado. Una función de estado es toda magnitud del sistema cuyo valor depende únicamente del estado equilibrio, y su incremento de los estados inicial y final, y no de la forma en que se ha pasado de uno a otro. Por lo dicho, resulta claro que todas las magnitudes termodinámicas que permiten especificar el estado de equilibrio de un sistema (T, P, V, etc.) han de ser funciones de estado.

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Primera ley de la termodiná mica Por lo que hemos visto, las formas en que un sistema puede intercambiar energía con el

medio exterior son el trabajo y el calor. Cuando un sistema realiza un trabajo sobre el entorno su contenido energético debe disminuir, al igual que si cede calor. Por contra, si el entorno realiza un trabajo sobre el sistema, le suministrará energía, al igual que si le cede calor. Esto puede representarse según el siguiente esquema:

A fin de que se cumpla el principio de conservación de la energía, el cambio en el contenido energético de un sistema deberá ser igual al balance neto de las energías intercambiadas es decir:

Cambio energético = Q - WExperimentalmente se encuentra que, para un sistema dado, el valor del cambio energético

en cualquier proceso a lo largo de cualquier trayectoria es siempre el mismo. Es decir, el valor de (Q – W) no depende de la trayectoria, sólo de los estados inicial y final, y por tanto existe una función de estado asociada a tal magnitud. Dicha función de estado es la denominada energía interna, U: Uint = Q – W = (Uint)f - (Uint)i

Para un proceso infinitesimal (empleando un fluido, gas, como sustancia de trabajo, y además no consideramos las formas de trabajo que no sean de expansión) se tendrá que:

dUint = dQ – dW = dQ - PdV

Esta expresión constituye la forma matemática del primer principio de la termodinámica que, de una parte expresa el principio de conservación de la energía, y de otra define una nueva magnitud de estado, la energía interna. Vemos entonces que, si bien Q y W dependen de la trayectoria seguida en el cambio de estado, su combinación, es decir la energía interna, no. Por tanto, aunque Q y W sean variables no son independientes entre sí, ya que su diferencia debe tener un valor definido para cualquier cambio de estado.

Si la energía interna no fuera una variable de estado, podríamos obtener energía de un sistema llevándolo repetidamente de un estado 1 a un estado 2 a través de una trayectoria A, y luego del estado 2 al 1 por una trayectoria B, de forma que EB > EA. Una máquina que opera de esta forma, creando energía de “la nada” es la denominada máquina de movimiento perpetuo de primera especie. El fracaso completo en la construcción de dicha máquina fue lo que condujo a enunciar la primera ley de la termodinámica. Esta ley se ha enunciado de diversas formas, pero su implicación fundamental es que aunque la energía se pueda convertir de una forma en otra, no se puede crear ni destruir. Dicho de otro modo, siempre que se produzca una cantidad de una clase de energía, se deberá consumir una cantidad exactamente equivalente de otra clase. Este resultado se conoce también como ley de conservación de la energía: la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Segundo principio de la termo dinámica El primer principio de la termodinámica es una generalización del principio de conservación

de la energía, para incluir al calor como una de las formas posibles de intercambiar energía entre un sistema y su medio ambiente. Este principio limita los procesos que un sistema puede experimentar a aquéllos que no supongan la creación o destrucción de energía, pero no nos dice nada acerca de la posibilidad de que un proceso, energéticamente posible, tenga lugar en una determinada dirección, ni de las condiciones bajo las cuales el calor se puede transformar en trabajo.

Así, por ejemplo, la experiencia indica que si se ponen en contacto dos cuerpos a temperaturas diferentes, se transfiere calor del cuerpo más caliente al cuerpo más frío, hasta

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que se alcanza el estado de equilibrio térmico entre ellos. Según el primer principio, sería posible el proceso inverso, de modo que los dos cuerpos en equilibrio térmico podrían volver espontáneamente a sus correspondientes estados iniciales, enfriándose uno de ellos y calentándose el otro. Este proceso inverso, compatible con el primer principio, que sólo exige que el calor cedido por el cuerpo caliente sea exactamente igual al ganado por el cuerpo frío, no se ha observado nunca. Por otra parte, el primer principio no establece ninguna diferencia entre calor y trabajo, sin embargo, la experiencia nos muestra que son cualitativamente diferentes. Así, nunca se ha observado que un sistema, como una piedra, se enfríe espontáneamente y, transformando parte de su energía térmica en mecánica, ascienda una cierta altura.

Por consiguiente, debe existir otro principio, que no se deduce del primero, que determine el sentido en el que se producen los procesos en un sistema aislado. Este principio es el segundo principio de termodinámica, suministra el criterio acerca de la posibilidad de que un proceso tenga lugar bajo las condiciones especificadas. Mientras que el primer principio niega la posibilidad de crear o destruir la energía, el segundo niega la posibilidad de utilizar esta energía en una dirección determinada. Los dos constituyen generalizaciones de la experiencia, no demostrables a priori, pero cuya validez viene confirmada por el hecho de que las predicciones que se hacen a partir de ellos son enteramente consecuentes con la realidad experimental.

Procesos espontáneos. EntropíaCuando se examinan los procesos que tienen lugar en la naturaleza de modo espontáneo,

se encuentra que éstos evolucionan siempre en un sentido determinado, sin que se haya observado el que por sí mismos y sin la intervención de agentes externos, inviertan el sentido del proceso. Esta observación puede generalizarse a una ley general según la cual, los procesos naturales espontáneos, que se producen sin la intervención de agentes externos, son termodinámicamente irreversibles.

Por otra parte, los sistemas evolucionan según un determinado proceso tendiendo hacia su estado de equilibrio termodinámico, y una vez alcanzado éste, si no se modifican las condiciones del medio, cesa por completo. Así, por ejemplo, tenemos que un gas se expande desde las regiones de presión alta a las zonas de presión baja, hasta que el valor de la presión es uniforme para todo el gas. Sin embargo, nunca se han observado los procesos inversos, y la irreversibilidad de los procesos espontáneos es la base del segundo principio de termodinámica.

Este ejemplo y otros muchos, nos muestran que el sentido en que pueden evolucionar los procesos en la naturaleza coincide con el sentido en el que aumenta el desorden, así, las moléculas de un gas están más desordenadas al expandirse que cuando están comprimidas. El grado de desorden de un sistema se puede determinar mediante una magnitud termodinámica, introducida por Clausius, y que recibe el nombre de entropía, S. Se trata de una función de estado cuyas variaciones, en realidad, sólo pueden medirse para procesos reversibles a temperatura constante. Para estos procesos se demuestra que la variación de entropía viene dada por:

, y para los procesos irreversibles se cumplirá que:

Se puede demostrar además que, para un proceso irreversible que tiene lugar en un sistema aislado, como lo es el universo, el incremento de entropía es siempre positivo. Esto se traduce en que para cualquier proceso espontáneo, y por tanto irreversible, resulta imposible que transcurra en el sentido que conduzca a una disminución de la entropía.

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Enunciados y consecuencias del segundo principioEl segundo principio de la termodinámica ha sido enunciado de forma diferente, aunque

análoga, por diferentes investigadores. Hay que recordar que los principios de la termodinámica no son más que generalizaciones de la experiencia, y los enunciados varían según hayan sido éstas. Entre los enunciados más empleados tenemos:

Enunciado de Carnot: Una transformación cíclica de un sistema que intercambie calor con un solo foco calorífico no puede realizar trabajo.

Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, funcionando en ciclos, no produzca otro efecto que el de extraer calor de un foco calorífico y realizar una cantidad equivalente de trabajo.

Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina que, funcionando en ciclos, no produzca otro efecto que el paso del calor de un cuerpo frío a otro de mayor temperatura

Lo expuesto anteriormente nos lleva a las siguientes conclusiones:a) Se establece una diferencia esencial entre el calor y el trabajo. Así, mientras que el

trabajo se puede transformar íntegramente en calor, el calor no puede transformarse íntegramente en trabajo.

b) El calor no puede transformarse en trabajo reversiblemente. Por tanto, un sistema en el que han tenido lugar transformaciones energéticas, no puede volver a su estado inicial térmico y mecánico sin que intervengan ningún agente exterior.

c) Se establece la dirección espontánea en el proceso de transmisión de calor.

Aplicación a las máquinas tér micas. Rendimiento energético

Consideremos el proceso de la expansión isotérmica de un gas encerrado dentro de un pistón. En este proceso, el gas absorberá una cierta cantidad de calor del medio exterior, y realiza un trabajo en el exterior al desplazar el pistón. Sin embargo, como método práctico para convertir calor en trabajo este proceso no resulta adecuado, pues sólo tiene lugar una vez. Para repetir el proceso es necesario volver a comprimir el gas, para lo cual es necesario realizar algún trabajo sobre el gas, es decir, parte del trabajo obtenido durante la expansión debe invertirse para volver a comprimir el gas. Supongamos que el gas vuelve a su estado inicial a través de un camino diferente al seguido en la expansión, en el que los valores de la presión sean menores y de este modo tenga que realizarse menos trabajo sobre el gas del previamente obtenido.

Del resultado anterior se deduce que lo que se requiere es una serie de procesos mediante los cuales el sistema vuelva a su estado inicial siguiendo un ciclo no isotérmico. En este ciclo algunos de los procesos que lo constituyen supondrán una absorción de calor, mientras que otros darán lugar a un flujo de calor desde el sistema al medio. Puesto que para un ciclo se verifica que:

Uciclo = 0el calor neto absorbido por el sistema, que es igual a la diferencia entre el calor absorbido y el calor cedido, se devuelve al medio en forma de trabajo: Qciclo = -W

El dispositivo mecánico cuyo funcionamiento obliga al sistema a recorrer un ciclo constituye una máquina térmica, denominándose al sistema sustancia operante. Para que la transformación pueda continuar de modo indefinido es necesario que no se produzcan cambios en el estado del medio.

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El intercambio de calor entre el sistema y el medio no debe dar lugar a cambios en la temperatura del medio y, por consiguiente, tal y como se ha señalado, el medio debe de estar constituido por dos focos caloríficos a temperaturas diferentes, tales que el sistema absorbe una cierta cantidad de calor Q2 del foco a la temperatura más alta, T2, convierte parte de él en trabajo, W, y el resto, Q1, lo cede al foco de temperatura más baja, T1; el foco de temperatura más alta constituye la fuente caliente de la máquina, mientras que el foco frío constituye el refrigerante.

Se define el rendimiento de la máquina térmica como la proporción del calor absorbido de la fuente caliente que se transforma en trabajo.

Si consideramos los valores absolutos de los calores intercambiados con los dos focos, se tiene:

Qciclo = Q2 - Q1, y puesto que para el ciclo Qciclo = Wel rendimiento de la máquina térmica viene dado por:

Esta expresión establece que existe un límite al rendimiento de cualquier máquina térmica, siendo el mismo menor que la unidad para cualquier máquina térmica.

Si la máquina opera sobre el sistema de modo que se invierte el sentido del ciclo, el resultado final es la absorción de calor del foco frío realizando un trabajo sobre el sistema, y la cesión al foco caliente de una cantidad de calor igual a la suma del trabajo consumido y del calor extraído. Una máquina de este tipo constituye una máquina frigorífica y en este caso la sustancia operante se denomina sistema refrigerante.

La magnitud que expresa la capacidad de la máquina frigorífica para extraer calor del foco frío mediante el consumo de trabajo, viene medida por la eficacia de la máquina que se define por la relación:

Si se tiene en cuenta que el calor transferido al foco térmico de temperatura más alta es igual, en valor absoluto, a la suma del calor extraído y al trabajo consumido:

Q2 = Q1 + W

y la eficacia de la máquina puede escribirse en la forma:

Máquina térmica ideal. Ciclo de Carnot En 1824, Sadi Carnot estableció las características que debería reunir una máquina térmica

para que su rendimiento fuera el máximo posible. Esta máquina ideal opera según un ciclo reversible, denominado Ciclo de Carnot, que comprende las cuatro etapas reversibles siguientes:

a) Expansión isotérmica reversible a TC. El sistema absorbe una cantidad de calor QC del foco caliente.

b) Expansión adiabática reversible. La temperatura del sistema desciende de TC a TF.

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c) Compresión isotérmica reversible a TF. El sistema cede una cantidad de calor QF a la fuente fría.

d) Compresión adiabática reversible, que completa el ciclo. La temperatura del sistema aumenta a TC.

Una máquina que trabaja según este ciclo constituye una máquina de Carnot. La reversibilidad de las cuatro etapas supone la reversibilidad del ciclo completo, y por consiguiente, si se invierte su sentido las cantidades de calor y de trabajo intercambiadas en cada etapa son exactamente iguales a las del proceso directo pero de signo contrario. En este caso la máquina absorbe una cantidad de calor QF del foco frío a la temperatura TF, y cede al foco caliente, a la temperatura TC, una cantidad de calor QC, igual a la suma del calor absorbido y del trabajo sobre el sistema. Una máquina de este tipo se conoce con el nombre de máquina frigorífica de Carnot.

El sistema que constituye la sustancia operante en el ciclo de Carnot puede ser cualquier sistema termodinámico de masa constante. Así, la máquina puede trabajar con un sistema químico formado por un gas o por un vapor saturado, con una pila electroquímica, con un sistema magnético, etc.

Si el sistema es un gas ideal, el ciclo de Carnot puede representarse en un diagrama P – V (Transparencia). El gas, inicialmente en el estado correspondiente al punto A del diagrama de la figura, experimenta los cuatro procesos consecutivos siguientes:1. Expansión isotérmica reversible desde el estado A al B. En esta expansión el gas

absorbe una cantidad de calor QC del foco caliente a la temperatura TC. En este caso tenemos:

UAB = 0 ; QAB = QC = WAB ; WAB =

2. Expansión adiabática reversible desde B hasta C, en la que la temperatura del gas desciende hasta el valor correspondiente al foco frío TF. Para esta expansión resulta:QBC = 0 ; WBC = UBC = n Cv (TF – TC)

3. Compresión isotérmica reversible desde el estado C hasta D. En este proceso el gas cede al foco frío una cantidad de calor, QF:

UCD = 0 , QCD = QF = WCD ; WCD =

4. Compresión adiabática reversible desde D hasta A con lo que se cierra el ciclo, en la que su temperatura pasa al valor TC del foco caliente.

QDA = 0 ; WDA = UDA ; WDA =

Como resultado de los cuatro procesos señalados, el sistema ha descrito un ciclo de Carnot, en el que el trabajo que realiza y el calor intercambiado es igual a la suma de los correspondientes a cada una de las etapas. Teniendo en cuenta diferentes relaciones termodinámicas se obtiene finalmente para el rendimiento de la máquina ideal el siguiente resultado:

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Por consiguiente, la eficacia de esta máquina depende sólo de las temperaturas del gas ideal en los focos frío y caliente.

Motores térmicos La transformación de calor en trabajo se realiza de ordinario en la práctica por dos tipos de

generales de máquina térmica o motor: el motor de combustión externa, como la máquina de vapor, y el motor de combustión interna, como el motor de explosión y el motor de combustión.

En ambos tipos, un gas o mezcla de gases contenidos en un cilindro experimenta un ciclo, obligando al pistón a comunicar a un eje un movimiento de rotación, venciendo una fuerza. En ambos motores es necesario que el gas experimente en determinado instante del ciclo elevaciones de temperatura y presión. En los motores de combustión externa, esta elevación tiene lugar en un horno exterior al pistón, mientras que en los de combustión interna, esta elevación se produce mediante una reacción química en el interior del propio pistón.

Motores de combustión externa

Máquina de vaporLos elementos principales de la máquina de vapor, y las misiones que realizan son:

a) Hogar: es un elemento exterior a la máquina y en él se realiza la combustión.b) Caldera: es un recipiente donde se genera el vapor. El agua, impulsada por una bomba

penetra en la caldera en estado líquido, a alta presión y a una temperatura próxima a la del ambiente. En la caldera el agua se calienta y se vaporiza, pasando a continuación a un sobrecalentador donde se eleva más su temperatura, pero manteniéndose a la presión de la caldera. Finalmente, el vapor sobrecalentado pasa al cilindro.

c) Cilindro motor: Está constituido por la caja de distribución, la corredera y el émbolo. En el interior del cilindro, el vapor se expansiona y en el émbolo se origina un movimiento alternativo que será transmitido a los elementos transformadores de movimientos. La función de la corredera es dirigir el vapor dentro del cilindro a fin de lograr el movimiento alternativo del émbolo. Por otra parte, al expansionarse el vapor, su presión y temperatura disminuyen y parte de él se condensa, pasando a continuación esta mezcla de líquido y vapor saturado a un condensador, donde el resto del vapor se condensa cediendo calor a un refrigerante. Finalmente, el líquido condensado es enviado de nuevo a la caldera mediante una bomba, completándose el ciclo

Ciclo de RankineEn la transparencia se muestra el ciclo idealizado que corresponde al proceso realizado en

una máquina de vapor. El agua líquida de la caldera (punto a), absorbiendo calor del hogar, eleva su temperatura a presión constante hasta T1 (punto e), y manteniendo luego constante la presión y la temperatura se transforma en vapor saturado y seco (punto b). El vapor saturado se expande en el interior de la máquina de una forma adiabática y reversible, hasta alcanzar la temperatura T2 del refrigerante (punto c), y se condensa parcialmente, produciendo un trabajo positivo. Prosigue luego la condensación a temperatura y presión constante hasta el punto d, formándose líquido saturado. Por último, el líquido saturado se comprime reversible y adiabáticamente hasta alcanzar la presión y temperatura de la caldera (punto a), completándose así el ciclo.

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La potencia de una máquina de vapor depende de la presión y de la cantidad de vapor admitida por el cilindro en la unidad de tiempo. Como la presión varía a lo largo de la carrera del émbolo, se suele considerar una presión promedio, denominada presión media efectiva. Por otra parte, la cantidad de vapor por unidad de tiempo es igual al volumen del cilindro multiplicado por el número de revoluciones por unidad de tiempo. Así pues, la potencia resulta ser:

Potencia = p · L ·S · fdonde p es la presión media efectiva, L es la carrera del cilindro, S la superficie del émbolo, y f las revoluciones por unidad de tiempo. En caso de que el cilindro sea de doble acción la potencia resultará prácticamente el doble. Sin embargo, a causa de los rozamientos y otras pérdidas, la potencia real suele oscilar entre el 70% y 90% del valor teórico.

Turbina de vaporLas turbinas de vapor constituyen otro mecanismo alternativo para el aprovechamiento de

la expansión del vapor. En ellas, el vapor es distribuido por cuatro toberas actuando directamente sobre las paletas de una rueda, haciéndola girar con velocidades del orden del 10000 rev/min. Al pasar por las toberas el vapor pierde presión y gana velocidad, a la vez que se orienta el flujo para que éste incida tangencialmente sobre las paletas.

Este dispositivo presenta la ventaja de carecer de cilindro y órganos de transformación del movimiento, por lo que su rendimiento es mayor, siendo el esquema básico de funcionamiento y el ciclo de Rankine correspondientes a la turbina los mismos que para la máquina de vapor. Sobre el ciclo básico se realizan habitualmente modificaciones con el objeto de mejorar el rendimiento global. Dos de las más importantes modificaciones son el recalentamiento del vapor para volver a obtener trabajo por expansión del vapor producido y precalentamiento del agua a la entrada de la caldera mediante extracción de parte del vapor antes de su total expansión.

Las turbinas se emplean en la actualidad en las centrales de producción de energía eléctrica, en la propulsión de buques, en las instalaciones de altos hornos y en sistemas de cogeneración de energía.

Motores de combustión interna Las dos causas principales que limitan el rendimiento de las máquinas de combustión

externa radican en la imposibilidad de alcanzar temperaturas suficientemente elevadas en la caldera y en la dificultad de conseguir un buen aprovechamiento de la energía calorífica producida en la combustión en el hogar.

Estos dos inconvenientes pueden reducirse en gran medida si se sustituye el vapor por otro fluido motor y se realiza la combustión en el interior del cilindro de la máquina. El fluido activo, o sustancia de trabajo, lo constituye una mezcla de aire y del combustible empleado, la cual tras la combustión modifica su composición. El proceso es totalmente irreversible, siendo necesario a intervalos iguales de tiempo regenerar el fluido activo. No obstante, y con el fin de aproximarse teóricamente a la descripción de las transformaciones termodinámicas correspondientes, se considera el fluido activo como si se tratara de un gas perfecto que describe ciclos idénticos y reversibles. El considerable grado de dilución de los gases en juego hace como razonablemente aproximada tal hipótesis simplificadora.

Dentro de las máquinas de combustión interna podemos diferenciar distintos tipos según:a) el combustible utilizado: combustibles líquidos (gasolina, gasóleo, etc.), gaseoso o mezcla

de ambos.

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b) El método de preparación de la mezcla: externa (motores de carburador) o interna (diesel de inyección interna directa)

c) las condiciones de combustión: explosión o de encendido provocado, y combustión o autoencendido.

d) el número de carreras que efectúa el pistón del cilindro en un ciclo completo: motores de cuatro y dos tiempos

e) el movimiento producido: alternativo o rotativo (motores o turbinas).f) El número y disposición de los cilindros:g) Etc.

Motor de explosión. Ciclo de OttoLos motores de explosión, también denominados motores de ignición por chispa, son

motores de combustión interna en los que la combustión de la mezcla, provocada por una chispa eléctrica, es prácticamente instantánea; por tal motivo el proceso de combustión puede considerarse a volumen constante.

El típico motor de explosión es el de gasolina de cuatro tiempos, que consta en esencia, de un cilindro con pistón, en cuyo interior se produce la combustión, una válvula de admisión, que regula la entrada de la mezcla combustible procedente del carburador, una bujía, que suministra la chispa de encendido, y una válvula de escape, que permite la oportuna salida de los gases producto de la combustión. El ciclo que se lleva a cabo en este tipo de motores supone la realización de 6 procesos, de los cuales 4 requieren movimiento de pistón y se denominan carreras. Los 6 procesos son:1. Carrera de admisión: El pistón desciende desde su posición más alta dentro del cilindro,

denominada punto muerto superior (PMS), arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Como consecuencia, se produce una depresión en el interior del cilindro que permite que éste se llene con la mezcla de vapor de gasolina y aire a través de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega a su posición más baja, denominada punto muerto inferior (PMI), concluye la primera carrera, la válvula de admisión se cierra y el cigüeñal habrá girado 180º. La mezcla aspirada se encuentra a la presión y temperatura exteriores (P1 y T1), y el volumen del cilindro aumenta de Vo a V1 (tramo 0 – 1)

2. Carrera de compresión: El pistón asciende desde el PMI hasta el PMS arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Cuando el pistón llega al PMS concluye la segunda carrera y el cigüeñal habrá girado otros 180º. La mezcla de vapor de gasolina y aire es comprimida al disminuir el volumen de V 1 a V2

(igual a Vo), con el aumento de presión de P1 a P2 y de temperatura de T1 a T2. (tramo 1 – 2),

3. Explosión: Se hace la combustión de la mezcla caliente tenga lugar rápidamente mediante una chispa eléctrica (proporcionada por la bujía), provocando un aumento brusco de la presión (de P2 a P3) y la temperatura (de T2 a T3), permaneciendo el volumen constante, con lo que se produce una cesión de calor, Q1, del combustible al motor (tramo 2 – 3). Este tramo no se denomina carrera al no tener lugar ningún movimiento del pistón.

4. Carrera de expansión: Los productos calientes de la combustión se expanden y empujan al pistón bruscamente hasta el PMI, arrastrando al cigüeñal que es el que realiza el trabajo

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útil. En el momento que el pistón llega al PMI concluye la tercera carrera y el cigüeñal habrá girado de nuevo 180º (tramo 3 – 4).

5. Apertura de la válvula de escape: Los productos de la combustión se encuentran todavía, al final de la carrera de expansión, a temperatura y presión superiores a las del exterior. En ese momento se abre la válvula de escape que permite la salida de gas hasta que la presión y la temperatura descienden hasta los valores iniciales P1 y T1, cediendo el motor al exterior un calor Q2. El pistón no se desplaza en este proceso (tramo 4 –1).

6. Carrera de escape: El pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS arrastrado por el movimiento del cigüeñal, permaneciendo abierta la válvula de escape permitiendo la salida de los residuos de combustión (el volumen disminuye de V1 a Vo). Al llegar el pistón al PMS concluye la cuarta carrera, que también va asociada a un giro de 180º del cigüeñal. Se cierra la la válvula de escape y se abre la de admisión dando comienzo un nuevo ciclo (tramo 1 –0).

En todos los procesos del ciclo se producen diversos fenómenos (rozamientos, disipaciones de calor, reacción incompleta, etc.) que hace prácticamente imposible un estudio matemático exacto del mismo. Esto hace que, para su estudio se deban suponer condiciones ideales que simplifican el problema. El ciclo teórico al que puede asimilarse el funcionamiento del motor de gasolina ideal recibe el nombre de ciclo de Otto, en el que se introducen las siguientes aproximaciones:

a) Se desprecian los rozamientos.b) Todos los procesos se consideran cuasi - estáticos o reversibles.c) Se supone el comportamiento de la sustancia de trabajo asimilable a un gas ideal con

capacidades caloríficas, que se mantienen constantes a lo largo del ciclo.De acuerdo con las hipótesis simplificadoras anteriormente mencionadas es posible calcular

el rendimiento del ciclo de Otto. Así, en el proceso 23 el sistema absorbe calor Q1 a volumen constante, dV = 0, de modo que, de acuerdo con el primer principio podrá escribirse:

Q1 = U = Cv (T3 - T2)Análogamente, para el proceso 41 el calor cedido considerado positivo vendrá dado por:Q2 = U = Cv (T4 - T1)

y el rendimiento térmico podrá escribirse como:

Considerando las relaciones entre T y V para los procesos adiabáticos, y que V1 = V4 y V2 = V3, se tendrá, considerando la mezcla como gas ideal, finalmente para el rendimiento del motor:

donde el cociente V1/V2 se nota por r y se denomina razón de compresión de mezcla. En principio, se podría mejorar el rendimiento aumentando la relación de compresión R, sin embargo existe un límite por encima del cual no puede elevarse el valor de R, ya que a presión y la temperatura elevadas la mezcla de carburante y aire explosiona antes de que salte la chispa, y se dice que se alcanza el nivel de autoignición. Para lograr alcanzar valores de R de hasta 10 es necesario añadir al combustible sustancias antidetonantes que eviten la autoignición.

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En general, los rendimientos de los motores de explosión suelen ser relativamente bajos debido a una serie de factores como son:

a) la combustión no suele ser completa, y siempre se produce algo de monóxido de carbono.

b) Existe un intercambio de calor entre los gases y las paredes, lo que obliga a refrigerar el cilindro, y como consecuencia de ello, las líneas de compresión 1 – 2 y la de expansión 3 – 4 no son adiabáticas.

c) La combustión en 2 – 3 no se verifica a volumen constante y tiene lugar con un pequeño aumento de volumen.

Todo esto se traduce en que el diagrama real del ciclo de Otto difiere bastante del teórico.El motor de cuatro tiempos descrito viene caracterizado por una serie de parámetros, tales

como el diámetro del cilindro, la carrera del pistón, el volumen de la cámara de combustión y el régimen de giro del motor. El diámetro o calibre, D; es el diámetro interior del cilindro medido en mm; la carrera, S, es el espacio que recorre el pistón entre el PMS y el PMI, expresado también en mm; el volumen de la cámara de combustión Vc es el volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS en la fase de compresión; el régimen de giro del motor, n, es el número de rev/min a que gira el motor.

A partir de estos parámetros pueden determinarse otros como la relación carrera-diámetro (S/D); la cilindrada unitaria, VD, que es el volumen comprendido entre PMS y PMI; la cilindrada total, VT, que es el producto de la cilindrada unitaria por el número de cilindros del motor, Z; y la relación volumétrica de compresión, r.

Motor de compresión. Ciclo de DieselEl rendimiento del ciclo de Otto, que sirve de base al funcionamiento de los motores de

explosión, hemos visto que viene limitado por la relación de compresión a la cual se produce la autoignición. Sin embargo, si se comprime sólo aire y tras la compresión se introduce un combustible adecuado, se puede obtener rendimientos más altos. Este es el fundamento de los motores Diesel, en los que si la compresión es elevada, se produce la autoignición teniendo lugar en vez de la explosión una combustión progresiva.

Al igual que los motores Otto, los motores diesel son motores de cuatro tiempos o carreras, teniendo que considerar en total seis procesos.1. Admisión: El pistón desciende desde el PMS, arrastrado por el cigüeñal, y como

consecuencia se produce una depresión en el interior del cilindro que provoca la entrada de aire a través de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega al PMI, concluye la primera carrera, el cigüeñal habrá girado 180º y la válvula de admisión se cierra (tramo 0 – 1).

2. Compresión: El pistón asciende desde el PMI hasta el PMS, permaneciendo las válvulas cerradas. El aire se comprime de forma adiabática hasta una elevada presión y temperatura. Cuando el pistón alcanza el PMS se concluye la segunda carrera (tramo 1 – 2).En el punto 3 se introduce el combustible a una elevada presión (~70atm) de forma controlada con lo que la mezcla se inflama a presión constante, produciéndose un avance del pistón (tramo 2 – 3).

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3. Expansión: Cuando el pistón a avanzado un décimo de su carrera cesa la inyección de combustible y los gases se expansionan adiabáticamente y obligan al pistón a desplazarse bruscamente hasta el PMI, arrastrando al cigüeñal que realizará un trabajo útil. En el momento que el pistón alcanza el PMI concluye la tercera carrera (tramo 3 – 4).

4. Escape: Al llegar el pintón al PMI se abre la válvula de escape para permitir la salida de los gases de combustión, disminuyendo la presión hasta la atmosférica (tramo 4 – 1). El pistón vuelve a ascender hasta el PMS arrastrado por el cigüeñal, concluyendo la cuarta carrera (tramo 1 – 0), momento en que se abre la válvula de admisión dando comienzo un nuevo ciclo.

Al igual que indicamos para el motor de gasolina, es preciso despreciar una serie de efectos perturbadores que acontecen realmente durante el proceso con el fin de poder asimilar el ciclo real a uno ideal, cuyo rendimiento puede ser calculado por procedimientos termodinámicos. Este ciclo simplificado recibe el nombre de ciclo diesel.

Al igual que en el ciclo de Otto, podemos evaluar el rendimiento del ciclo teórico haciendo uso de las relaciones termodinámicas, obteniéndose finalmente el siguiente resultado:

donde se han introducido las relaciones de compresión re = V1/V2, y de combustión rc = V3/V2. El factor encerrado entre corchetes es siempre mayor que uno, pues rc es mucho mayor que la unidad. Por lo que, comparando las expresiones del rendimiento de un ciclo Otto y otro diesel, se concluye que el rendimiento del primero es mayor que el del segundo para una misma relación de compresión.

Al igual que el ciclo de Otto, el ciclo real de Diesel difiere notablemente del ideal debido a que la combustión no se realiza a presión constante, la expansión de 3 a 4 no es adiabática y el proceso de escape (4 – 1) tampoco se lleva a cabo a volumen constante.

Al comparar el motor de Diesel con un motor de explosión podemos establecer las siguientes ventajas: mayor rendimiento térmico, menor consumo, mayor duración del motor y menor contaminación de los gases de escape. Sin embargo, presenta los siguientes inconvenientes: motor más pesado, mayor coste de fabricación y mayor ruido por las explosiones de la combustión.

Tanto en el caso del motor de explosión como en el de combustión, podemos incrementar la potencia desarrollada por los mismos mediante la sobrealimentación. La sobrealimentación consiste en aumentar la cantidad de mezcla admitida en el cilindro con respecto a la que entraría por efecto del simple movimiento del émbolo durante el periodo de admisión. Esto se consigue aumentando la presión del aire o de la mezcla a la entrada del cilindro. Para ello se intercala en el circuito de entrad de un compresor accionado por una turbina movida por los gases de escape, que habrán pasado previamente a través de un intercambiador de calor.

Otros motores térmicos de interésAdemás del motor de cuatro tiempos, ya sea de explosión (ciclo Otto) o de combustión

(ciclo Diesel), existen otros motores de combustión de interés. Entre estos tenemos el motor de dos tiempos, el motor rotativo de Wankel, y el motor de combustión externa de Stirling.

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Motor de dos tiemposSe trata de un motor de combustión interna de explosión, que surge como un intento de

duplicar la potencia por cada cilindro. Con este fin, el motor de dos tiempos recorre todo el ciclo en sólo dos carreras del émbolo. Son motores mucho más sencillos que los de cuatro tiempos, pues carecen de válvulas y levas, y la admisión y escape se realiza a través de las denominadas lumbreras, que son orificios situados en la pared del cilindro y que son abiertos y cerrados por el propio pistón a lo largo de su recorrido. Tenemos así la lumbrera de admisión al cárter, La, la lumbrera de escape, Le, y la lumbrera de transferencia, Lt, que comunica el cárter con el cilindro.

El ciclo de funcionamiento del motor de dos tiempos consta de las mismas cuatro fases que el motor de cuatro tiempos, sólo que son realizadas en dos carreras de pistón, y por tanto, en una sola vuelta del cigüeñal. Tenemos entonces la etapa de admisión-compresión (primer tiempo) y la etapa de expansión-escape (segundo tiempo)1. Admisión-compresión: El pistón asciende en su primera carrera desde el PMI hasta el

PMS arrastrado por el cigüeñal. En este movimiento comprime la mezcla que se encuentra en el cilindro. Al mismo tiempo, descubre la lumbrera de admisión para que una cierta cantidad de mezcla nueva pase al cárter. Al llegar el pistón al PMS, salta la chispa procedente de la bujía y se produce la combustión.

2. Expansión-escape: Al producirse la combustión de la mezcla se ejerce una presión sobre el pistón, que desciende bruscamente en su segunda carrera arrastrando al cigüeñal. La lumbrera de escape comienza a descubrirse y los gases quemados pueden salir al exterior. Inmediatamente se descubre la lumbrera de transferencia y la mezcla nueva procedente del cárter entre en el cilindro y desaloja el resto de gases quemados. El pistón se encuentra en el PMI y puede comenzar a ascender para iniciar un nuevo ciclo.

Comparando con el motor de cuatro tiempo, el de dos tiempos presenta las siguientes ventajas: Sencillez de construcción; Supresión de válvulas; Mayor potencia; Mejor funcionamiento de los elementos de transmisión. Sin embargo, presenta los siguientes inconvenientes: Menor rendimiento mecánico; Mayor temperatura de funcionamiento; Mayor desgaste de sus elementos; Mayores niveles de contaminación. En la actualidad, el motor de dos tiempos se emplea en pequeños motores de lanchas, de motocicletas, etc.

Además del motor de dos tiempos, existen otros dos tipos de motor de interés: el motor Wankel y el motor Stirling. El motor Wankel es un motor de combustión interna de explosión con un proceso de cuatro tiempos, pero con movimiento rotatorio del pistón, no siendo por tanto necesario el cigüeñal (pag. 100, TI-2 Ed. Edebe). Por su parte, el motor de Stirling es un motor de combustión externa (pag 181, TI-2 Ed. Everest).

Turbina de gas de ciclo abiertoSon motores térmicos rotativos de combustión interna, que pueden ser tanto de explosión

como de combustión. Las turbinas de gas representan para los motores de combustión interna lo que las turbinas de vapor a la máquina de vapor. Es decir, son dispositivos en los que el movimiento alternativo del émbolo se sustituye por el movimiento rotativo del rodete, a fin de obtener una máquina mucho más rápida; además, la velocidad de rotación elevada conduce a una máquina de mucho menor volumen y peso para la misma potencia.

Las turbinas de gas de explosión están constituidas fundamentalmente por un compresor, una o más cámaras de combustión y la turbina propiamente dicha. Las cámaras se cargan con aire por medio de un compresor, y cuando están cargadas se cierra la válvula de admisión y se introduce el combustible, que explosiona por la acción de una chispa,

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incrementándose bruscamente la presión a volumen constante. En este momento se abre la válvula de escape por donde salen los gases de la combustión a gran velocidad, dirigiéndose hacia los álabes de la turbina. La presión disminuye y cuando su valor se iguala con el exterior (atmosférica), se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, cargándose de nuevo la cámara. El ciclo termodinámico ideal es el denominado ciclo de Otto a expansión completa.

Las turbinas de gas de combustión constan fundamentalmente de un compresor, una cámara de combustión y una turbina. El aire aspirado a presión atmosférica se comprime en el compresor, pasando a continuación a la cámara de combustión, en la que se inyecta el combustible que se autoinflama a causa de la elevada temperatura, y los gases calientes procedentes de la combustión se expanden contra los álabes de la turbina. Estas cámaras de combustión están diseñadas de forma que no todo el aire pase al quemador, sino que se produzcan varias corrientes. La corriente principal es la que interviene en la combustión, mientras que las secundarias se mezclan a la salida con los gases de combustión y así disminuir su temperatura a fin de no dañar los álabes de la turbina. Para este tipo de turbinas el ciclo termodinámico teórico es el denominado ciclo de Brayton o ciclo de Diesel de expansión completa.

En ambos tipos de turbina, el compresor consta de dos elementos: el rotor y el difusor. El rotor, centrífugo o radial, acelera el aire entrante, y la energía cinética que adquiere se transforma en energía de presión en el difusor. Por su parte, las turbinas están constituidas por un distribuidor y y un rotor. El distribuidor disminuye la presión de los gases calientes, incrementando su velocidad, mientras que en el rotor la energía cinética se transforma en energía mecánica.

Máquinas frigoríficas Los circuitos frigoríficos tienen como misión transportar calor de una forma cíclica desde un

cuerpo que se enfría hasta otro que se encuentra a temperatura más elevada. Este proceso, tal y como se discutió en la primera parte del tema, no es un proceso espontáneo e implica una disminución de la entropía; por ello resulta necesario efectuar un trabajo desde el exterior, lo que se lleva a cabo por medio de un compresor, y tendremos las máquinas frigoríficas de compresión, o bien mediante el transporte de calor desde una fuente auxiliar a una temperatura superior a la del cuerpo caliente, y tendremos las instalaciones frigoríficas de absorción.

En ambos casos, la base del funcionamiento es el fenómeno de la vaporización de un líquido, proceso endotérmico que se lleva a cabo utilizando fluidos de bajo punto de ebullición, llamados fluidos criogénicos, que se vaporizan al circular en estado líquido por un evaporador, absorbiendo calor del ambiente que se quiere refrigerar. Los vapores obtenidos se condensan posteriormente, quedando en condiciones de ser utilizados nuevamente.

Fluidos criogénicosLos fluidos criogénicos deben de reunir una serie de características como son:

a) Elevado calor latente de vaporización.b) Presión de vaporización superior a la atmosférica, ya que si fuese demasiado baja, podría

entrar aire en el circuito lo que implica que el agua contenida en él podría solidificarse y obturar el circuito.

c) Baja presión de condensación, evitando así el trabajar con elevadas presiones en el compresor.

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d) Elevada conductividad térmica con objeto de disminuir la superficie de intercambio de calor.

e) Baja viscosidad a fin de evitar pérdidas de carga en el circuito.f) Inercia y estabilidad química.

Entre los fluidos criogénicos más empleados tenemos el agua (temperaturas superiores a 0ºC), salmuera de NaCl (hasta –20ºC), salmuera de CaCl2 al 30% (hasta –50ºC) y soluciones hidroalcohólicas anticongelantes para temperaturas inferiores a –50ºC.

Máquina frigorífica de Carnot El principio de funcionamiento de los circuitos frigoríficos es también el ciclo de Carnot,

pero ahora recorrido en sentido inverso al de los motores térmicos. Por tanto ahora, a expensas de un trabajo exterior, el fluido criogénico extraerá calor de una fuente fría para cedérselo a una fuente caliente. Una instalación frigorífica que funcionase de acuerdo con este ciclo constaría de los siguientes elementos básicos: condensador, que sería el foco caliente, T1, un evaporador, que sería el foco frío, T2, un compresor que eleva la presión y temperatura del fluido, y un expansor o turbina donde el líquidos disminuye de presión y temperatura. Las cuatro etapas del ciclo son:1. El compresor, accionado por un motor (que aporta el trabajo consumido en este proceso),

aumenta de una forma adiabática la presión y temperatura del fluido refrigerante de P1 a P2

y de Tf a Tc. (Tramo 1 –2)2. El fluido llega al condensador donde se licúa, cediendo una calor, Q1, al sistema de

refrigeración del condensador, el cual se caliente permaneciendo el fluido a temperatura constante, Tc. (Tramo 2 – 3)

3. En el expansor, el fluido enfriado se expansiona adiabáticamente disminuyendo la presión y la temperatura hasta Tc, con lo que el fluido se evapora parcialmente. (Tramo 3 – 4)

4. El fluido llega al evaporador, donde se expansiona isotérmicamente a Tc, vaporizándose casi en su totalidad a presión constante, absorbiendo un calor, Q2, del sistema a refrigerar. (Tramo 4 –1)El rendimiento de la máquina frigorífica, tal y como se estudio en la primera parte del tema, vendrá dado por la relación entre el calor extraído de la fuente fría y el trabajo necesario para ello:

Como por regla general Tf > (Tc – Tf), este rendimiento es mayor que la unidad, por lo que a se le denomina eficiencia.

Los ciclos de refrigeración que se verifican en la práctica se diferencian del de Carnot en dos aspectos fundamentales: En primer lugar, los procesos reales no son reversibles, sino que se desvían del comportamiento ideal. El segundo de los aspectos lo tenemos en la compresión, ya que a la entrada del compresor el fluido es una mezcla de líquido y vapor, y este tipo de mezcla presenta grandes problemas en la compresión, por lo que no se emplea: en los sistemas reales se comprime sólo vapor, para lo cual se sigue la evaporación, en el evaporador, hasta obtener vapor saturado. Además de estos aspectos, otra cuestión a considerar es la expansión del líquido saturado que sale del compresor a través de la turbina. El trabajo que se obtiene es mucho menor que el necesario para el compresor, con lo que se opta por eliminar la turbina y sustituirla por un elemento de simple expansión, como puede ser

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una válvula de estrangulamiento o una válvula de laminación, basadas en la disminución de presión que experimenta un fluido al pasar por un estrechamiento. Así, obtenemos un ciclo modificado que se asemeja más al funcionamiento de los sistemas reales.

Fundamentalmente, hay dos tipos de sistemas de refrigeración: los de vapor y los de gas. En los de vapor, el refrigerante se vaporiza y condensa alternativamente en los distintos elementos del circuito, mientras que en los de gas, el refrigerante permanece siempre en estado gaseoso.

Sistemas de refrigeración de vapor y de gas Tanto para el sistema de vapor como para el de gas, el ciclo teórico es el mismo

diferenciándose entre sí por el orden en que se recorre.En el sistema de refrigeración por vapor, los procesos que se llevan a cabo son los

siguientes:1. Compresión adiabática de la mezcla líquido-vapor a la entrada del compresor hasta

convertirlo en vapor saturado. La presión y temperatura aumentan, siendo ésta la etapa en la que se suministra trabajo al sistema (para que actúe el compresor) (Tramo 1 –2).

2. Cesión de calor desde el refrigerante al exterior (foco caliente). En este proceso, el fluido se condensa, siendo el calor cedido el calor latente de vaporización del fluido criogénico, permaneciendo por tanto la temperatura, y la presión, constante. (Tramo 2 – 3).

3. Expansión adiabática del fluido en una turbina pasando éste de un líquido saturado hasta una mezcla de líquido vapor, produciéndose un trabajo positivo y disminuyendo la temperatura y presión. Tal y como se señaló, la turbina suele reemplazarse por una válvula de expansión, añadiéndose entonces al circuito un acumulador donde se almacena el fluido procedente del condensador. (Tramo 3 –4).

4. Absorción de calor del foco frío por parte del refrigerante en el refrigerante. El fluido que entra como una mezcla de líquido y vapor en el evaporador y se enriquece en vapor, recuperando a la salida del mismo las condiciones iniciales de presión, temperatura y volumen, dando comienzo un nuevo ciclo (Tramo 4 –1).En el sistema de refrigeración por gas, el ciclo da comienzo por la expansión adiabática en la turbina, con la consiguiente producción de un trabajo positivo aprovechable (Tramo 3-4). A continuación, en un intercambiador de calor, el gas absorbe calor del foco frío aumentando su temperatura (Tramo 4 –1). Seguidamente, el gas se comprime adiabáticamente en el compresor, lo que requiere de un trabajo exterior, aumentando su presión y temperatura (Tramo 1 –2). Por último, el gas pasa por un enfriador, cediendo calor al medio exterior y recuperando las condiciones iniciales para dar comienzo a un nuevo ciclo (Tramo 2-3).Entre las aplicaciones de las máquinas frigoríficas tenemos: refrigeración de cámaras para

el almacenamiento y conservación de alimentos, de camiones o vagones para el transporte de artículos perecederos, aire acondicionado doméstico, etc. En todos ellos, se considera como foco frío el sistema a refrigerar, y como foco caliente el medio ambiente.

Bomba de calor El funcionamiento básico de las bombas de calor es el mismo que las máquinas frigoríficas,

la diferencia radica en quien actúa de foco caliente y frío. En las bombas de calor será el ambiente quien actúa de foco frío, mientras que el sistema, o recinto a calentar, será el foco caliente. Dicho de otra forma, en las máquinas frigoríficas, el condensador se encontraba en el

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exterior del recinto y el evaporador dentro, mientras que en las bombas de calor, es el condensador quien se encuentra en el interior del recinto y el evaporador en el exterior.

En las máquinas frigoríficas, el rendimiento venía dado por la relación entre el calor extraído de la fuente fría y el trabajo suministrado. Sin embargo, en las bombas de calor lo que interese es que la cantidad de calor cedido a la fuente caliente, Q1, sea máxima, por lo que se define el rendimiento de la misma como:

Comparando los rendimientos de la máquina frigorífica, (), y de la bomba de calor, (’), resulta que: ’ = +1.

Las bombas de calor suelen clasificarse según el elemento o el medio que está en contacto con el evaporador y el condensador. El medio en contacto con el evaporador puede ser aire, agua o el suelo, mientras que en contacto con el condensador podemos tener aire o agua.

De las diferentes combinaciones posibles resultarán los diferentes tipos de bomba de calor, y su funcionamiento seguirá el esquema explicado para las máquinas frigoríficas, con las diferencias indicadas (medio exterior foco frío y recinto foco caliente).

Si a la bomba de calor se le dota de una válvula reversible que permita intercambiar las funciones del evaporador y del condensador, podemos tener un sistema que, según convenga, funcione como máquina frigorífica o como bomba de calor. Este tipo de sistema son las denominadas bombas de calor reversibles.