Máquinas térmicas: del calor al movimiento

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un dispositivo que aprovecha el calor para producir trabajo mecánico. Su funcionamiento se basa en la termodinámica, la parte de la física que estudia las transformaciones entre el calor y las demás formas de energía. Conviene no confundir tres ideas: el calor (Q) es energía que se transfiere por una diferencia de temperatura; el trabajo (W) es energía transferida por una fuerza que desplaza algo; y la energía interna (U) es la que ya guarda el gas por dentro. El primer principio las relaciona: ΔU = Q − W (la energía ni se crea ni se destruye).

El segundo principio añade una limitación fundamental: es imposible convertir todo el calor en trabajo. Por eso toda máquina térmica necesita dos focos a distinta temperatura: toma calor de un foco caliente (Q_c), convierte una parte en trabajo (W) y cede el resto (Q_f) a un foco frío. Por conservación de la energía, W = Q_c − Q_f.

El rendimiento y el límite de Carnot

El rendimiento (η) mide qué fracción del calor absorbido se convierte en trabajo útil: η = W / Q_c = 1 − Q_f / Q_c. Siempre es menor que 1 (menor que el 100 %), porque siempre sobra calor para el foco frío. Se puede dar como número (0,30) o como porcentaje (30 %).

¿Cuánto es lo máximo posible? Lo estableció Sadi Carnot: ninguna máquina real puede superar el rendimiento de la máquina ideal de Carnot, que solo depende de las temperaturas de los focos, en kelvin: η_Carnot = 1 − T_f / T_c. Es un tope teórico inalcanzable: por eso el motor de un coche aprovecha en torno a un tercio del combustible, y el resto se va como calor. Estos cálculos de rendimiento, calor y trabajo se apoyan en conceptos que ya viste en electricidad y mecanismos.

El motor de explosión: Otto y Diésel

El motor de un coche es una máquina térmica de combustión interna: el combustible arde dentro del cilindro. El más común es el motor de 4 tiempos, que repite un ciclo de cuatro carreras del pistón: admisión (entra la mezcla), compresión, explosión (la chispa enciende la mezcla y empuja el pistón: es la única fase que da trabajo) y escape. El mecanismo biela-manivela convierte el vaivén del pistón en giro, y la relación de compresión (r = V_max/V_min) mide cuánto se comprime la mezcla.

Todo esto se representa en el diagrama presión-volumen (P-V), donde el área encerrada es el trabajo por ciclo. La gran diferencia entre los dos motores está en cómo se quema el combustible: el Otto (gasolina) enciende con una bujía y su combustión es isócora (a volumen constante: la presión sube de golpe, un tramo vertical en el P-V); el Diésel enciende por compresión (sin bujía) y su combustión es isóbara (a presión constante: una meseta horizontal). El Diésel usa una relación de compresión mucho mayor, y como la compresión manda en el rendimiento, gasta menos. Compruébalo tú mismo en el simulador, cambiando entre Otto y Diésel:

Máquinas inversas: frigorífico y bomba de calor

Una máquina térmica también puede funcionar al revés. El calor no pasa por sí solo de un cuerpo frío a uno caliente (enunciado de Clausius del segundo principio); para lograrlo hay que consumir trabajo. Eso hacen el frigorífico (saca calor de dentro y lo echa a la cocina) y la bomba de calor (trae calor del exterior para calentar la casa, como la aerotermia). Son la misma máquina; cambia lo que interesa aprovechar.

Su eficiencia se mide con el coeficiente de operación (COP), que puede ser mayor que 1: en el frigorífico COP = Q_f/W (el frío extraído) y en la bomba de calor COP = Q_c/W (el calor entregado). Por eso una bomba de calor con COP = 4 entrega cuatro veces más calor que la electricidad que gasta: no lo crea, lo mueve del exterior. No es un rendimiento (que sería menor que 1), sino una medida de cuánto calor mueve por cada unidad de trabajo.

Otras máquinas térmicas e impacto ambiental

No todas las máquinas térmicas son motores de coche. En las de combustión externa el calor se genera fuera y se pasa a un fluido: la turbina de vapor (el corazón de las centrales térmicas, que mueve un generador para producir electricidad) y el motor Stirling. La turbina de gas, de combustión continua, mueve los aviones a reacción y también genera electricidad; las centrales de ciclo combinado aprovechan su calor de escape para alcanzar los rendimientos más altos (~55 %).

El gran problema de los motores de combustión es doble: su rendimiento real es bajo (gran parte del combustible se pierde como calor residual) y emiten gases (CO₂, óxidos de nitrógeno, partículas) que contaminan y calientan el planeta. De ahí el empuje de las alternativas: los vehículos eléctricos e híbridos y la pila de hidrógeno. Mejorar la eficiencia y elegir tecnologías limpias es también un objetivo de la tecnología sostenible.

El proyecto: construye tu máquina térmica

En el proyecto final construirás con tus manos un modelo funcional de máquina térmica que se mueva con el calor de una vela: un barco pop-pop (máquina de vapor pulsante), un motor Stirling de lata y globo o una turbina de vapor con una rueda. Elegirás uno de los tres y lo montarás siguiendo el método de proyecto de ingeniería.

Pero lo importante no es solo que funcione, sino entender por qué: identificar el foco caliente y el frío, señalar dónde el calor se convierte en movimiento y explicar por qué se pierde tanto calor (el rendimiento es bajo), relacionándolo con el segundo principio y con Carnot. Una rúbrica de cinco dimensiones valora la construcción, el análisis termodinámico, el diseño, las pruebas y la comunicación.

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