El motor de combustión
Lo que vas a aprender
- Describir los cuatro tiempos de un motor de gasolina (admisión, compresión, explosión y escape).
- Explicar cada tiempo con la primera ley, diciendo cuándo el gas recibe trabajo y cuándo lo hace.
- Explicar con la segunda ley por qué el motor tiene que botar calor por el escape y por el sistema de enfriamiento.
- Calcular el balance de energía de un motor con datos inventados, con el trabajo útil, el calor perdido y la eficiencia.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Carros, motos, guadañas, plantas eléctricas y lanchas de río tienen algo en común: se mueven con un motor de combustión. Dentro de ese motor pasa, muchas veces por segundo, lo mismo que estudiaste con el gas del cilindro: un gas recibe energía, empuja un pistón y hace trabajo. Es una máquina térmica, y por eso cumple las dos leyes de la termodinámica.
En esta lección vas a seguir paso a paso lo que pasa dentro de un cilindro y a responder dos preguntas: ¿de dónde sale la energía que mueve el vehículo? y ¿por qué se calienta tanto el motor, y a dónde va todo ese calor?
Antes de empezar necesitas la primera ley, ΔU = Q − W, con su convención de signos, y las ideas de la lección anterior: el calor que entra, el trabajo, el calor que sale y la eficiencia.
Explicación
Las piezas del cilindro
El corazón del motor es un cilindro, un tubo cerrado por arriba, dentro del cual sube y baja un pistón, como el émbolo de una jeringa. El pistón está unido a una barra, la biela, que mueve un eje con un codo, el cigüeñal. Así, el sube y baja del pistón se convierte en el giro que llega hasta las ruedas. Arriba del cilindro hay dos válvulas, una de admisión y una de escape, y una bujía, que hace saltar una chispa.
Se llama motor de combustión interna porque el combustible se quema dentro del propio cilindro. El gas que empuja el pistón es el mismo que resulta de esa combustión.
Los cuatro tiempos
El motor de gasolina más común repite un ciclo de cuatro pasos, que se llaman tiempos. En cada uno el pistón hace un solo recorrido, hacia abajo o hacia arriba.
1. Admisión. Se abre la válvula de admisión y el pistón baja. Al bajar, deja espacio y entra al cilindro una mezcla de aire y gasolina en forma de gotitas muy finas. Luego se cierra la válvula.
2. Compresión. Con las dos válvulas cerradas, el pistón sube y aprieta la mezcla en un espacio pequeño. Aquí el pistón hace trabajo sobre el gas: con nuestra convención, $W$ es negativo. Todo pasa tan rápido que casi no alcanza a salir calor, así que, por la primera ley, la energía interna de la mezcla aumenta y su temperatura sube, igual que en la bomba de la bicicleta.
3. Explosión. Cuando el pistón está arriba, la bujía hace saltar una chispa y la mezcla se quema de golpe. Este tiempo también se llama de combustión o de expansión. La combustión libera la energía que estaba guardada en el combustible, y los gases quedan muy calientes y a gran presión. Para el gas, es como si recibiera una gran cantidad de calor: $Q$ es positivo y grande. Esos gases empujan el pistón con fuerza hacia abajo y hacen trabajo sobre él: ahora $W$ es positivo. Es el único tiempo que produce trabajo; en los otros tres, es el cigüeñal el que mueve el pistón, con el impulso que dejó este tiempo.
4. Escape. Se abre la válvula de escape y el pistón sube otra vez, empujando hacia afuera los gases quemados, que todavía están muy calientes. Luego empieza un nuevo ciclo con otra admisión.
A dónde va la energía
Pensemos en el motor completo como una máquina térmica. El foco caliente son los gases recién quemados; el foco frío es el aire del ambiente. La energía que entra en cada ciclo es la que libera la combustión. Una parte se convierte en el trabajo útil que mueve el vehículo. ¿Y el resto? No desaparece, porque la primera ley no lo permite. Sale como calor por dos caminos, y la fricción termina sumándose al segundo:
- Por el escape. Los gases que salen en el cuarto tiempo todavía están calientes y se llevan mucha energía al aire. Por eso nunca se toca el tubo de escape de una moto.
- Por el sistema de enfriamiento. Las paredes del cilindro se calientan. Un líquido que pasa alrededor del motor recoge ese calor y lo suelta al aire en el radiador, que está al frente del carro. Sin ese sistema, el motor se recalentaría y se dañaría.
- Por la fricción. Si el sistema es el gas del cilindro, la fricción no es calor que él pierda: el gas sí hace todo su trabajo sobre el pistón, pero una parte de ese trabajo se gasta en el roce de las piezas (el pistón contra el cilindro, los ejes) y no llega a las ruedas. Esas piezas y el aceite se calientan, y casi toda esa energía termina en el líquido del sistema de enfriamiento. Por eso, en el balance del motor completo, el calor de la fricción se cuenta dentro de $Q_{\text{enfriamiento}}$, y $W_{\text{útil}}$ es solo el trabajo que llega a las ruedas.
La segunda ley dice que la parte que sale como calor nunca puede ser cero: un motor tiene que botar calor al ambiente para poder repetir su ciclo. Se puede reducir la fricción o aprovechar mejor la combustión, pero ningún motor térmico convertirá en trabajo toda la energía del combustible. Su eficiencia es siempre menor que 100 %.
El balance de un ciclo queda así:
$$Q_{\text{entra}} = W_{\text{útil}} + Q_{\text{escape}} + Q_{\text{enfriamiento}}$$
Las cifras de los ejemplos y de las preguntas son inventadas para practicar las cuentas: no son las de ningún motor real.
Esquema de un cilindro de motor de gasolina en el tiempo de explosión: la bujía enciende la mezcla, las dos válvulas están cerradas y los gases calientes empujan el pistón hacia abajo.
Flujo de energía de un motor de combustión: la energía que libera la combustión sale en parte como trabajo útil y en parte como calor, por el escape y por el sistema de enfriamiento. El dibujo no tiene medidas; las cifras van en los ejemplos.
Ejemplo resuelto
El balance de un ciclo
En cada ciclo, la combustión le entrega a un motor imaginario 1500 J. Los gases de escape se llevan 600 J y el sistema de enfriamiento 450 J. ¿Cuánto trabajo útil hace el motor en cada ciclo, y cuál es su eficiencia?
Ver la solución paso a paso
Por la conservación de la energía, el trabajo útil es lo que entra menos todo lo que sale como calor, en joules:
$$1500 - 600 - 450$$
El trabajo útil de cada ciclo:
$$450$$
La eficiencia en porcentaje es el trabajo útil entre la energía que entra, por 100:
$$\frac{450 \cdot 100}{1500}$$
El resultado:
$$30$$
El calor que se va al ambiente, por el escape y por el enfriamiento, suma más de lo que se convierte en trabajo:
$$600 + 450 = 1050$$
Comprobamos que el balance cierra: trabajo útil más calor perdido es la energía que entró.
$$450 + 1050 = 1500$$
Respuesta: El trabajo útil es 450 J por ciclo y la eficiencia es 30 %.
Ejemplo resuelto
La primera ley en el tiempo de compresión
En el tiempo de compresión de un motor imaginario, el pistón hace un trabajo de 300 J sobre la mezcla, y la mezcla cede 50 J de calor a las paredes del cilindro. ¿Cuánto cambia la energía interna de la mezcla?
Ver la solución paso a paso
El sistema es la mezcla. El pistón hace trabajo sobre ella, así que W = −300 J. El calor sale de la mezcla, así que Q = −50 J.
Aplicamos ΔU = Q − W, con los signos entre paréntesis:
$$-50 - \left(-300\right)$$
Restar un negativo es sumar:
$$-50 + 300$$
El resultado, en joules:
$$250$$
La energía interna aumenta mucho y la mezcla se calienta antes de la chispa. Eso ayuda a que se queme mejor en el tiempo siguiente.
Respuesta: ΔU = +250 J: la energía interna de la mezcla aumenta 250 J.
Ejemplo resuelto
Un segundo de funcionamiento
En un segundo, el combustible le entrega a un motor imaginario 80 000 J, y el motor hace 28 000 J de trabajo útil. ¿Cuánta energía sale como calor en ese segundo? ¿Cuál es la eficiencia?
Ver la solución paso a paso
La energía que sale como calor, sumando el escape y el enfriamiento (que se lleva también el calor de la fricción), es lo que entra menos el trabajo útil, en joules:
$$80\,000 - 28\,000$$
El calor perdido en ese segundo:
$$52\,000$$
La eficiencia en porcentaje:
$$\frac{28\,000 \cdot 100}{80\,000}$$
El resultado:
$$35$$
Es menor que 100 %, como exige la segunda ley. Y la energía no desaparece: los 52 000 J calientan el aire alrededor del motor.
$$28\,000 + 52\,000 = 80\,000$$
Respuesta: Salen 52 000 J como calor en ese segundo, y la eficiencia es 35 %.
Práctica
En cada ciclo, la combustión le entrega a un motor imaginario 2400 J. El escape se lleva 1000 J y el sistema de enfriamiento 800 J. ¿Cuánto trabajo útil hace el motor por ciclo, en J?
W útil = Q entra − Q escape − Q enfriamiento = 2400 − 1000 − 800 = 600 J.
Con los mismos datos (2400 J entregados por la combustión, 1000 J por el escape y 800 J por el enfriamiento), ¿cuál es la eficiencia del motor, en %?
El trabajo útil es 600 J, y 600/2400 = 0,25, es decir, 25 %.
Un motor imaginario recibe 3000 J de la combustión en cada ciclo y hace 750 J de trabajo útil. ¿Cuánta energía sale como calor por ciclo, en J?
Lo que no se convierte en trabajo sale como calor: 3000 − 750 = 2250 J. Sumar (3750 J) daría más energía de la que entró.
En el tiempo de compresión, el pistón hace un trabajo de 250 J sobre la mezcla y la mezcla cede 30 J de calor a las paredes. ¿Cuánto cambia la energía interna de la mezcla, en J?
Q = −30 J porque el calor sale, y W = −250 J porque el trabajo se hace sobre la mezcla. ΔU = −30 − (−250) = +220 J: la mezcla se calienta.
En el tiempo de explosión, después de la chispa, los gases calientes empujan el pistón y hacen un trabajo de 600 J, mientras ceden 150 J de calor a las paredes. Mientras empujan, ¿cuánto cambia su energía interna, en J?
Q = −150 J porque el calor sale y W = +600 J porque el gas hace el trabajo. ΔU = −150 − 600 = −750 J: los gases pierden energía interna y se enfrían mientras empujan.
¿Verdadero o falso? Un motor imaginario recibe 1600 J por ciclo, hace 400 J de trabajo útil y pierde 900 J por el escape. Si no hay otras pérdidas, el sistema de enfriamiento se lleva 300 J.
Lo que entra es igual a lo que sale: 1600 = 400 + 900 + 300. El enfriamiento se lleva los 300 J que faltan.
Cinco informes de motores imaginarios. Cada opción es la cuenta Q entra − (W útil + Q escape + Q enfriamiento) de un informe. Marca todos los informes que cumplen la conservación de la energía.
Marca todas las que apliquen.
Si la energía se conserva, lo que entra es igual a todo lo que sale y la cuenta da cero. El segundo informe da −100: sale más energía de la que entra. El cuarto da 100: faltan 100 J por explicar.
En un segundo, el combustible le entrega a un motor imaginario 60 000 J, y el motor hace 15 000 J de trabajo útil. ¿Cuál es su eficiencia, en %?
e = 15 000 / 60 000 = 0,25, que es 25 %. Los otros 45 000 J salen como calor al ambiente.
¿En cuál de los cuatro tiempos los gases del cilindro empujan el pistón con fuerza y le entregan el trabajo que mueve el motor?
Solo la explosión produce trabajo: los gases calientes empujan el pistón. En la compresión es al revés, el pistón hace trabajo sobre el gas. En la admisión y en el escape es el cigüeñal el que mueve el pistón, con el impulso que dejó la explosión.
Un compañero dice: «La energía del combustible que no mueve el carro se destruye dentro del motor». ¿Qué le responderías?
La primera ley dice que la energía se conserva: la que no se vuelve trabajo sale como calor. La segunda ley dice que esa parte nunca puede ser cero, por bueno que sea el motor.
Reto
Completa el balance del motor.
Lo que entra es igual a todo lo que sale. Primero calcula el trabajo útil y después la eficiencia.
Reto
Abre el candado del motor.
Cada pista da un dígito de la clave. Usa la primera ley y la conservación de la energía.
Reto
El crucigrama del motor.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
El motor de combustión es una máquina térmica; el combustible se quema dentro del cilindro y los gases calientes empujan el pistón.
Sus cuatro tiempos son admisión, compresión, explosión y escape; solo la explosión produce trabajo, porque los gases calientes empujan el pistón.
En la compresión el pistón hace trabajo sobre la mezcla y, por la primera ley, su energía interna y su temperatura suben.
La energía que no se convierte en trabajo útil sale como calor por el escape y por el sistema de enfriamiento, que se lleva también el calor de la fricción; no se destruye.
Por la segunda ley, el motor siempre bota calor al ambiente, y su eficiencia es menor que 100 %.
Vocabulario
- Cilindro
Tubo cerrado del motor dentro del cual se mueve el pistón y se quema la mezcla.
- Pistón
Pieza que sube y baja dentro del cilindro, como el émbolo de una jeringa. Los gases calientes lo empujan.
- Válvula
Compuerta que se abre para dejar entrar la mezcla de aire y combustible (admisión) o salir los gases quemados (escape).
- Bujía
Pieza que hace saltar una chispa eléctrica dentro del cilindro para encender la mezcla.
- Motor de combustión interna
Máquina térmica en la que el combustible se quema dentro del propio cilindro, y los gases calientes que se forman empujan el pistón.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte quién ha sentido el calor que sale del capó de un carro o del tubo de escape de una moto, y de dónde creen que sale esa energía. Anote las ideas sin corregirlas.
- Explicación · 20 min — Las piezas del cilindro con el esquema; los cuatro tiempos, dramatizados con una jeringa sin aguja (el émbolo como pistón); el balance de energía y el primer ejemplo en el tablero.
- Práctica · 15 min — Preguntas en parejas; los huecos y el candado se pueden proyectar y resolver en grupo.
- Cierre · 5 min — Vuelva a las ideas del inicio y pida que digan, con la primera y la segunda ley, a dónde va el calor del motor.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué un carro necesita radiador y qué pasaría si no lo tuviera?
- Si el pistón solo recibe un empujón en uno de los cuatro tiempos, ¿qué lo mueve en los otros tres?
- ¿Se puede construir un motor que no caliente el ambiente? ¿Qué ley lo impide?
Errores típicos
- Creer que el gas hace trabajo en la compresión porque «se aprieta». Pregunte quién empuja a quién en ese tiempo y qué signo tiene W con la convención del curso.
- Decir que la energía que no mueve el carro se destruye. Pida que completen el balance Q entra = W útil + Q escape + Q enfriamiento con los números del ejemplo.
- Pensar que la explosión crea energía. Recuerde que la combustión libera la energía que ya estaba guardada en el combustible; la química de ese proceso se verá en la unidad de reacciones químicas.
- Confundir el orden de los tiempos. Use la secuencia «entra, aprieta, empuja, sale» y que la relacionen con el movimiento del pistón y de las válvulas.
Tarea sugerida
Hacer un dibujo de los cuatro tiempos del motor, con el pistón y las válvulas en cada uno, y escribir debajo de cada dibujo el signo de W para el gas (positivo, negativo o casi cero). Inventar los datos de un balance de energía y calcular la eficiencia.