11.1: Introducción

En mi mente enrarecida, teórica, académica y poco práctica, un motor térmico consiste en una sustancia activa que obedece a alguna ecuación idealizada de estado como la de un gas ideal, sostenido dentro de un cilindro por un pistón, y que experimenta, en un ciclo cerrado, una serie de procesos altamente idealizados, como el reversible expansiones adiabáticas o compresiones isotérmicas. En diversas etapas del ciclo, el sistema puede estar ganando calor o perdiendo calor a su entorno; o podemos estar trabajando en el sistema comprimiéndolo, o el sistema puede estar expandiéndose y haciendo trabajo externo.

La eficiencia η de un motor térmico se define como

\[ \eta=\frac{\text { net external work done} ~ \mathbf{by} ~ \text{the engine during a cycle }}{\text { heat supplied} ~ \mathbf{ to} \text{ the engine during a cycle. }}\]

Por trabajo externo “neto”, me refiero al trabajo realizado por el motor durante esa parte del ciclo cuando está haciendo trabajo menos el trabajo realizado en el motor durante esa parte del ciclo cuando se está trabajando en él. Observe que la palabra “net” no aparece en el denominador, que se refiere únicamente al calor suministrado al motor durante esa parte del ciclo cuando está ganando calor.

Durante la parte de compresión del ciclo, el sistema emite calor, y solo la diferencia “calor en menos calor fuera” está disponible para hacer el trabajo externo. Así, la eficiencia también se puede calcular a partir de

\[ \eta=\frac{Q_{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{out}}}{Q_{\mathrm{in}}}.\]

aunque la definición de eficiencia se mantiene como ecuación 11.1.1.

Ningún motor térmico es 100% eficiente, y tenemos que preguntarnos cuál es el motor térmico más eficiente posible, ¿cuáles son los factores que limitan su eficiencia y cuál es la mayor eficiencia posible? Obviamente cosas como la fricción en las partes móviles del motor limitan la eficiencia, pero en mi mente académica el motor está construido con cojinetes sin fricción y todos los procesos en el ciclo de compresiones y expansiones son reversibles.

Durante un ciclo, un motor térmico se mueve en una trayectoria cerrada en el sentido de las agujas del reloj en el plano PV, y, si los procesos son reversibles, el área encerrada por esta trayectoria en sentido horario es el trabajo externo neto realizado por el sistema. También se mueve en una trayectoria cerrada en el sentido de las agujas del reloj en el plano TS, y, si los procesos son reversibles, el área encerrada por esta trayectoria en sentido horario es el calor neto suministrado al sistema. Los dos son iguales, y cuando el sistema vuelve a su estado original, no hay cambio en la energía interna. Es decir, la energía interna es una función del estado.

Dependiendo de la naturaleza de los diversos procesos durante el ciclo, el ciclo puede llevar varios nombres, como los ciclos Carnot, Stirling, Otto, Diesel o Rankine. De estos, el más importante desde el punto de vista teórico es el ciclo Carnot. No sé si alguien alguna vez ha construido un motor térmico Carnot. Sé, sin embargo, que nadie ha construido nunca un motor que funcione entre una fuente de calor caliente y un disipador de calor frío que sea más eficiente que un motor Carnot; porque, para una diferencia de temperatura dada entre fuente y disipador, el motor Carnot es el más eficiente concebible. Hay otra cosa importante sobre el ciclo Carnot. En el Capítulo 3, nos costó entender que el más difícil de todos los conceptos termodinámicos, es decir, la temperatura, y nos preguntamos si podíamos definir una escala de temperatura absoluta que fuera independiente de las propiedades de alguna sustancia en particular. La consideración del ciclo Carnot nos permite hacer precisamente eso.

De motores de calor real conozco muy poco. Sé que un pedal de mi auto hace que el auto vaya más rápido y el otro lo hace ir más lento —pero lo que hay debajo del capó o capó está más allá de mi conocimiento. Los motores de calor real pueden parecerse en mayor o menor medida a algunos de los motores teóricos de la academia. Por lo tanto, un motor de automóvil puede parecerse a un ciclo Otto, o una máquina de vapor puede parecerse a un ciclo Rankine, o un motor Diesel real puede parecerse al ciclo Diesel teórico. Los estudiantes de ingeniería pueden preguntarse si necesitan molestarse en aprender sobre motores “teóricos” que tienen poco parecido con el metal y el combustible con los que tienen que trabajar de manera práctica. No puedo responder a eso, pero solo hay una cosa que sí sé de los motores reales, y es que están sujetos y siguen todas las leyes fundamentales de la termodinámica que los motores teóricos tienen que seguir; y sospecho que el ingeniero que diseñó el motor en mi auto tenía una bastante minuciosa conocimiento de los principios fundamentales de la termodinámica.