¿Por qué no existen motores con el 100% de eficiencia?

Carnot, eficiencia

La eficiencia de los motores es un tema fundamental en el ámbito de la ingeniería y la ciencia. Desde los primeros motores de vapor hasta los motores de combustión interna de última generación, los ingenieros han buscado constantemente mejorar la eficiencia de estos dispositivos para aprovechar al máximo la energía disponible.

Pese a todos los avances en tecnología, lo cierto es que estamos muy lejos de tener motores con una eficiencia perfecta del 100%, es más, las cifras de aprovechamiento actual te pueden parecer ridículas. ¿Por qué? Pues vamos a hacer un viaje hacia la eficiencia…

¿Qué es la eficiencia de un motor?

motor bmw

La eficiencia de un motor se define como la relación entre la energía útil que produce el motor y la energía total que se le suministra. Se expresa como un porcentaje y cuanto mayor sea el valor, más eficiente es el motor. Para calcular la eficiencia de un motor, se utiliza la siguiente fórmula:

Eficiencia (%) = (Energía útil / Energía total) x 100

La energía útil puede ser el trabajo mecánico realizado por el motor, es decir, la energía dedica a lo que realmente se pretende hacer con el motor. Esta energía puede ser de múltiple naturaleza, al igual que la forma de obtenerla también puede ser diferente, como el uso de combustibles, energía eléctrica, etc. Por otro lado, la energía que se pierde se suele desperdiciar en forma de calor debido al rozamiento, etc., por tanto, se desperdicia, puesto que un motor de un coche no está fabricado para calentar, sino para generar movimiento.

Existen diferentes tipos de eficiencia, dependiendo del tipo de motor y de la aplicación específica. Algunas de las eficiencias más comunes son:

  • Eficiencia térmica: es la relación entre la energía térmica útil que produce el motor y la energía total que se le suministra en forma de calor.
  • Eficiencia mecánica: relación entre la energía mecánica útil que produce el motor y la energía térmica que recibe.

Disponer de un motor eficiente es crucial, ya que permitirá hacer lo mismo ahorrando energía, reducir las emisiones en algunos casos, obtener mayor rendimiento con la misma mecánica, reducir los costes, y aprovechar mejor los recursos energéticos de los que disponemos, etc.

Contra esto hay varios factores que afectan a la eficiencia del motor, como:

  • El ciclo termodinámico:  el ciclo termodinámico que utiliza el motor determina el límite teórico máximo de eficiencia. El ciclo de Carnot es el ciclo termodinámico ideal que tiene la mayor eficiencia posible. Todos los motores reales experimentan pérdidas termodinámicas, como la fricción, la transferencia de calor y la combustión incompleta. Estas pérdidas reducen la eficiencia real del motor por debajo del límite teórico.
  • El diseño del motor: el diseño del motor, incluyendo la selección de materiales, la geometría de las piezas y el sistema de control, juega un papel importante en la eficiencia del motor, ya que pueden interferir en el ciclo termodinámico y también pueden afectar a la pérdida de rendimiento por rozamiento o resistencia, etc.
  • Las condiciones de funcionamiento: como la velocidad, la carga y la temperatura, también pueden afectar a la eficiencia del motor.

Sadi Carnot: La búsqueda de la máquina perfecta

En el pasado hubo alguien preocupado y obsesionado por buscar la máquina ideal. Me refiero a Sadi Carnot (1796-1832) fue un físico francés que sentó las bases para la comprensión de la eficiencia termodinámica. En su obra «Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego«, publicada en 1824, Carnot introdujo el concepto de ciclo termodinámico reversible y estableció el límite teórico máximo de eficiencia para cualquier motor térmico.

Carnot estaba obsesionado con la idea de crear una máquina perfecta que aprovechara toda la energía disponible del combustible. Sin embargo, su trabajo demostró que esto era imposible, ya que existe un límite teórico máximo de eficiencia para cualquier motor térmico. A pesar de no haber logrado su objetivo, el trabajo de Carnot tuvo un impacto profundo en el desarrollo de la termodinámica y la ingeniería de motores. Sus ideas siguen siendo fundamentales para la comprensión de la eficiencia de los motores y para el diseño de motores más eficientes.

Cifras: Eficiencia de los motores actuales

ferrari f14 t

La eficiencia de los motores es bastante pobre en la actualidad, no hablamos de cifras próximas al 100% en la mayoría de casos. Como curiosidad, para hacerte una idea, las cifras de eficiencia que manejamos en la actualidad son:

  • Motor de gasolina: la eficiencia térmica de los motores de ciclo Otto modernos oscila entre el 20% y el 30%, dependiendo del diseño, la tecnología y las condiciones de funcionamiento.
  • Motor Diésel: son generalmente más eficientes que los motores de gasolina, con eficiencias térmicas que oscilan entre el 30% y el 40%. Esto se debe a un ciclo de combustión más completo y a una mayor compresión del aire-combustible.
  • Motor híbrido: estos motores pueden llegar a eficiencias hasta el 50%. Un caso real de esta eficiencia que aprovecharía hasta el 50% del combustible es el de la F1, desde la introducción de los nuevos motores V6 Turbo con sistemas eléctricos como el MGU-K y MGU-H. Mercedes fue el primero en alcanzar esta eficiencia del 50%, lo cual es todo un hito. Es decir, el 50% de la energía liberada por el combustible se aprovecha para impulsar el vehículo, el resto se desperdicia en forma de fricción o calor.
  • Motores eléctricos: estos motores pueden aprovechar mejor la energía eléctrica, ya que no intervienen variables tan complejas como en los de combustión, pudiendo llegar al 90% o más. De hecho, los nuevos diseños de motor y materiales de alta conductividad, como los superconductores, pueden llegar a cifras muy esperanzadoras para el futuro.
  • Motores a reacción: en caso de hablar de los turborreactores, la eficiencia térmica puede oscilar entre el 30% y el 35%, mientras que la variante Turbofán pueden ir desde el 35% y el 45% de eficiencia, mientras que los turbopropulsores pueden oscilar entre el 30% y el 40% del queroseno quemado.
  • Motor de vapor: estos motores de combustión externa tenían eficiencias muy bajas, de entorno al 0,5% en las primeras máquinas de vapor, como la de Thomas Newcomen de 1698. Eso significa que el 99,5% del carbón usado no se convertía en trabajo útil. Conforme evolucionaron, se consiguieron avances, como los del siglo XIX, con eficiencias de alrededor del 15%, como la máquina de Cornish de 1840.

Es decir, en la mayoría de vehículos actuales, más del 60% de la energía del combustible se desperdicia…


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