16 sept. 2018

LOS MOTORES TÉRMICOS - ¿POR QUÉ LOS COCHES UTILIZAN MOTORES DE COMBUSTIÓN ALTERNATIVA?

Siempre me ha dejado perplejo las teorías conspirativas sobre los motores de los coches, y también la gente que sin ningún conocimiento habla de rendimientos fabulosos como del 60% con tal o cual motor, como si fueran factibles.

Para entender porque los coches utilizan los motores que utilizan y no cualquier otro, voy a empezar una larga serie donde voy a revisar las tres alternativas a los motores de combustión alternativa por excelencia. Por orden histórico son:
  • Los motores cohete.
  • La caldera de vapor.
  • La turbina de gas.
Y aunque estos motores no sirven para impulsa un coche son útiles para aprender cosas interesantes, por ejemplo, sobre cómo mejorar la eficiencia de los motores térmicos.

¿Qué es un motor térmico? Es una máquina térmica que transforma el calor en trabajo. Es una de las tres máquinas térmicas posibles, las otras dos son: los refrigeradores que son máquinas que llevan el calor de un foco frío a otro caliente y las bombas de calor que llevan el calor de un foco caliente a otro frío. En este post presentaba estas 3 máquinas y el ciclo ideal que maximiza el rendimiento, lo que se conoce como ciclo de Carnot.

La ciencia que estudia los flujos de calor y en particular las máquinas térmicas es la termodinámica. La termodinámica se basa en unos principios muy básicos, a saber:

  • Principio cero: es un principio axiomático de nuestro universo, simplemente dice es que dos estados térmicos iguales a un tercero son iguales entre sí.
  • Primer principio: establece la conversión de energía, la versión del E = m×c2 de Einstein a la termodinámica, donde las energías que nos interesan son el calor y el trabajo. Y estos dos tipos de energía se conservan en un sistema cerrado (así como cualquier otro tipo de energía).
  • Segundo principio: el segundo principio es la aplicación a la termodinámica de otro axioma de nuestro universo, la irreversibilidad de los sistemas cerrados. Los seres vivos se mueren, las estrellas se apagan, las temperaturas se igualan con el tiempo etc. Se ha ido reformulando con el avance de la ciencia y en estos momentos en términos termodinámicos se puede expresar simplemente como la entropía de un sistema cerrado sólo puede aumentar con el tiempo. La entropía (S) es una magnitud que mide la calidad energética de un sistema, cuanto mayor es la entropía menor es la capacidad de nuestro sistema de generar trabajo. Como S es un concepto esquivo, intentaré evitar su utilización en las formulaciones matemáticas.
  • Tercer principio: es otro principio axiomático de nuestro universo. Así como la temperatura puede ser muy alta, digamos que no hay límite superior (siempre se puede añadir calor a un sistema), tiene un límite inferior, y esa temperatura mínima es el cero absoluto.
NOTA: en realidad la termodinámica como todas las ciencias se pueden reducir a las leyes físicas básicas. En particular la temperatura corresponde a estados de vibración y movimiento de los átomos, moléculas y cristales, pero no hace falta saber física cuántica, ni mecánica estadística, para estudiar un sistema macroscópico, nos basta con los principios presentados.

El drama al que nos enfrentamos la humanidad es que tenemos una civilización basada en las máquinas térmicas. En particular, casi todo el trabajo lo obtenemos de motores térmicos. Además, casi todo el calor lo obtenemos quemando combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. Es decir, obtenemos energía química que se obtuvo de la fotosíntesis que realizaron una infinidad de organismos durante muchos millones de años. El siguiente gráfico gentileza de Wikipedia con el mix energético mundial es profundamente revelador:

NOTA: el dominio de los combustibles fósiles aplica a todo nosotros. Podéis analizar los datos de las principales regiones como Europa, Estados Unidos o Latinoamérica o cualquier país, y obtendréis mix muy parecidos. Por ejemplo, actualmente en España la energía nuclear es algo más del 10%, todas las energías renovables se acercan en el mejor de los casos al 15%, y todo lo demás son combustibles fósiles, que además en el caso de España se importan.

Obviamente nuestra civilización no es sostenible, pero hasta que las energías renovables no se multipliquen por 2 o por 3, y las energías fósiles se reduzcan significativamente, proponer el coche eléctrico (o de hidrógeno) como la solución es en el mejor de los casos ignorancia bienintencionada (como ya comenté hace años en la serie sobre el coche eléctrico).

Mientras la cosa no cambie (y tardará mucho en cambiar) por lo menos tenemos que utilizar máquinas térmicas tan eficientes como nos sea posible, y os aseguro que las posibilidades de mejora son enormes. Y como este blog va de coche, nos centraremos en revisar los motores térmicos.

NOTA: en realidad existen al menos dos alternativas a mejorar las máquinas térmicas y aumentar las energías renovables que no puedo dejar de comentar:
La primera es la energía nuclear: las centrales actuales de fisión de uranio no son viables. Contaminan mucho, y a muy muy largo plazo, y son muy peligrosas como han demostrado los accidentes de Chernóbil y Fukushima. Pero otras alternativas de fisión y fusión nuclear son posibles.
La segunda es extraer la energía química de los combustibles por procesos fisicoquímicos más eficientes que los motores térmicos. Se han postulado diversas formas de extraer la energía química de un combustible. La más famosa probablemente es las pilas de hidrógeno, que comenté en este post. Si se consiguiera una pila por ejemplo de metano muy eficiente, podría sustituir a los motores térmicos. En el siguiente link de la Wikipedia se habla de pilas de combustible de diversos tipos.


Continuación...

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