LAS CATARA

Máquina de vapor

La máquina de vapor consta de una caldera en la que se produce el vapor de agua, el cual se conduce a través de un tubo hasta el cilindro donde se expande empujando el émbolo o pistón.

Mediante la biela, el movimiento de vaivén del pistón se transforma en movimiento de rotación de la rueda. Ésta gira completamente y en forma por un sistema de válvulas.

El vapor de la caldera entra al cilindro y empuja al pistón. Cuando el pistón concluye su recorrido, la válvula deslizante cambia de posición; entonces el vapor entra por otro conducto empujando al pistón hacia la izquierda. El vapor utilizado sale por la válvula y pasa a un depósito frío, donde se condensa. Después, el agua pasa nuevamente a la caldera y el ciclo se repite para mantener la rueda en rotación.

Motores de combustión interna

A diferencia de las máquinas de vapor, los motores de los automóviles producen la expansión de gases quemando combustible. Los motores más utilizados son los de gasolina y de diesel. En estas máquinas térmicas, los gases de la combustión se expanden rápidamente efectuando un trabajo.

De este tipo de máquinas, la más común es el motor de gasolina de cuatro tiempos, en el cual la gasolina evaporada, mezclada con aire por el carburador o inyector y colocada en la cámara de expansión, explota mediante una chispa eléctrica producida por una bujía. La energía térmica genera trabajo en el momento que los gases ejercen presión sobre el pistón.

Conversión parcial del calor en trabajo

El rendimiento o eficiencia de una máquina es la relación entre el trabajo útil que produce y la energía suministrada. El concepto de eficiencia se aplica a todas las máquinas, desde la palanca, la polea o la prensa hidráulica hasta las centrales nucleares.

La máquina de mayor eficiencia es la que convierte una cantidad de energía en el máximo trabajo útil. No existe una máquina térmica que proporcione un rendimiento de 100%. Es decir, no hay mecanismo en que pueda transformarse completamente el calor en trabajo mecánico; la mayoría sólo reditúa una proporción muy baja; por ejemplo: en la máquina de vapor convencional, la energía de los combustibles se transfiere de un depósito caliente (el fogón) a uno frío (el condensador). Durante esta transferencia, parte de la energía se convierte en trabajo útil al empujar el pistón y el resto –la que tiene el vapor que sale caliente del cilindro–, se pasa al ambiente circundante y al depósito de baja temperatura.

Se necesitan depósitos a diferente temperatura para que pueda funcionar una máquina térmica pues sin ellos la presión del vapor sería igual en ambos lados del pistón, se mantendría en equilibrio y, en consecuencia, no realizaría trabajo. Por tanto, en un proceso cíclico, sólo es posible obtener trabajo si los depósitos tienen diferente temperatura.

Los científicos, después de muchos experimentos y estudios, han llegado a concluir que es imposible construir una máquina térmica que reditúe 100% de eficiencia. Esta deducción constituye una de las leyes fundamentales de la naturaleza:

Es imposible construir una máquina térmica que, al operar en un ciclo, transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.

El funcionamiento del refrigerador

El fundamento de la refrigeración se basa en que al evaporarse un líquido toma el calor de los cuerpos que lo rodean.

Así, un refrigerador es una máquina térmica que funciona en sentido inverso; es decir, si el calor se transfiere de manera natural desde un depósito de alta a uno de baja temperatura, un refrigerador transfiere el calor de un depósito de baja temperatura (el compartimento para alimentos) a uno de alta temperatura (el aire de la cocina); pero esto sólo se logra mediante el trabajo externo suministrado por un motor (compresor) eléctrico.

Por medio del motor se disminuye la presión del líquido refrigerante, hasta llegar a tal punto que el líquido se evapora tomando calor del interior del refrigerador. Como consecuencia, los alimentos se enfrían. Cuando el refrigerante en estado gaseoso se transforma nuevamente en líquido, disipa calor, lo cual ocurre en un condensador que está siempre fuera del compartimento para alimentos.

Hasta hace poco tiempo se utilizaban como refrigerantes los clorofluorocarbonos; pero los estudios recientes de un equipo de científicos, entre quienes destaca el doctor Mario Molina Henríquez, premio Nobel de química 1995, descubrieron que dichas sustancias destruyen la capa de ozono que se encuentra a 30 km sobre la superficie terrestre y que protege a los seres vivos de los rayos ultravioleta provenientes del Sol.

Como parte de la campaña mundial para proteger la capa de ozono, se han diseñado refrigeradores en los que se utiliza una mezcla de propano y butano o isobutano como refrigerante, la cual no representa ningún peligro. El ciclo del refrigerante por el sistema de un refrigerador ordinario sigue este trayecto:

• El compresor suministra trabajo externo para que el calor sea transferido del depósito de baja temperatura hacia el depósito de alta temperatura. El refrigerante, en estado gaseoso, es impulsado

...