1. Los límites de la eficiencia térmica en motores gasolina y diésel
Como hemos citado ya en multitud de ocasiones, las máquinas térmicas (como los
motores de gasolina y diésel) tienden a desperdiciar gran cantidad de energía en
forma de calor. Pese a lo que pudiese parecer, la tecnología en constante
evolución tan sólo puede arañar algunos puntos porcentuales en esa gran
cantidad de energía desperdiciada, porque las máquinas térmicas están limitadas
de modo absoluto por las leyes físicas en las que se basa su funcionamiento, que
son los principios de la termodinámica.
La creciente eficiencia de los motores actuales ya no puede estar demasiado lejos
de su límite termodinámico
De forma sencilla, vamos a ver cuáles son estos principios, cómo afectan al
rendimiento de los motores de combustión y por qué la creciente eficiencia de los
motores actuales ya no puede estar demasiado lejos de su límite termodinámico.
Dicho de otro modo, para lograr consumos sustancialmente menores que los
actuales incidiendo sólo en la tecnología de los motores, no sería suficiente con su
evolución sino que sería necesario dejar atrás las máquinas térmicas en favor de
otro tipo de propulsores.
Rendimiento o eficiencia de una máquina térmica

2. Parece importante empezar definiendo el concepto de eficiencia o rendimiento que
vamos a utilizar indistintamente a lo largo de todo el artículo. Así pues,
entendemos el rendimiento de un motor como el trabajo realizado por cada unidad
de energía consumida.
Si el trabajo realizado por el motor (generación de movimiento) fuese igual a la
energía química del combustible utilizado para producirlo, la eficiencia de ese
supuesto motor sería de un 100% (eficiencia perfecta).
Obviamente, ningún proceso puede tener una eficiencia superior al 100% porque
eso sería tanto como decir que se estaría creando energía nueva. El primer
principio de la termodinámica (conservación de la energía) niega esta posibilidad.
Por otro lado, cuando el trabajo realizado es menor que la energía consumida, la
pérdida o diferencia entre ambos valores se transforma en calor, que podemos
considerar como energía inútil y por lo tanto perdida.
La eficiencia máxima de una máquina térmica: el ciclo de Carnot

3. Existe un límite absoluto para el rendimiento de cualquier máquina térmica
Existe un límite absoluto para el rendimiento de cualquier máquina térmica, que es
el rendimiento de una máquina imaginaria, perfecta y reversible cuyo proceso de
funcionamiento se conoce como ciclo de Carnot. Esta eficiencia máxima “perfecta”
se encuentra ya bastante por debajo del 100% y es importante destacar que,
siendo un máximo físico, absoluto y universal, no es posible superarlo por medios
tecnológicos.
El rendimiento de una máquina térmica de Carnot sólo depende de la
temperaturas máxima y mínima entre las que trabaja por lo que, dadas estas dos
temperaturas, su cálculo es trivial. En el caso de motores de combustión que
queman hidrocarburos y a partir de los datos propuestos en este ejemplo práctico,
podemos considerar una temperatura mínima (que sería la del ambiente) de 17oC
(290 K) y una máxima de 1.570 oC (1.843 K). Esta combinación de temperaturas
nos daría un rendimiento teórico máximo de un 84,3%.
Es difícil encontrar un dato preciso de temperatura máxima alcanzada en la
cámara de combustión, pero los hidrocarburos arden alrededor de 2.000oC y ya
parece bastante optimista considerar unos 1.600 oC como la temperatura media
de toda la cámara en el instante final de la combustión. Así pues, la eficiencia
perfecta de un 84% puede considerarse un cálculo razonablemente optimista.
Se perdería algo así como entre un 15% y un 25% de energía en forma de calor,
sí o sí
El mismo cálculo, realizado en Wikipedia tomando otros valores como ejemplo y
esta vez en un motor de gasolina, arroja una eficiencia máxima de un 73%,
aunque suponiendo condiciones ideales este valor se podría considerar en el
rango bajo de temperaturas posibles. Sería un cálculo razonablemente pesimista.
Sea cual fuere la temperatura máxima alcanzada en la cámara de combustión en
cada motor concreto, vemos que una máquina teórica, reversible e ideal con
temperaturas máxima y mínima en el rango de un motor de combustión interna
perdería algo así como entre un 15% y un 25% de energía en forma de calor, sí o
sí, como consecuencia directa de los principios de la termodinámica.
Gasolina y Diésel frente a la máquina perfecta de Carnot

4. Los motores de gasolina y diésel son máquinas térmicas y, por tanto, están
limitadas por el máximo absoluto de Carnot, pero su funcionamiento es
sustancialmente distinto y, por definición, menos eficiente, que el de la máquina
reversible y perfecta por muchos motivos. Así pues, sería más exacto hacer un
modelo teórico de un motor diésel o gasolina ideales para conocer su eficiencia
máxima e insuperable.
Este modelo existe y es una especie de adaptación del ciclo reversible de Carnot
al ciclo de funcionamiento de estos motores en concreto. No vamos a bucear en
sus fórmulas, pero sí vamos a curiosear en sus resultados.
Empezando por un motor de Ciclo Otto (gasolina convencional) y según este
cálculo explicado por la Universidad de Sevilla, tomando datos razonables para las
variables implicadas, la eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de gasolina
con relación de compresión 8:1 es de un 56,5%.
En el caso del ciclo diésel, que difiere ligeramente del gasolina y permite
relaciones de compresión mayores, en este cálculo realizado sobre el modelo
teórico de este ciclo, se puede ver que su rendimiento perfecto para una relación
de compresión de 18:1 sería de un 63,2%.
En el mundo real no es posible construir motores que funcionen o se acerquen
siquiera a estas condiciones
Estos rendimientos (que son inferiores al máximo absoluto de Carnot)
corresponderían a motores ideales, lo que implica cosas como ausencia de
rozamientos, pérdidas nulas por bombeo, procesos instantáneos de combustión,
apertura y cierre de válvulas en tiempo cero, procesos muy lentos de compresión y
expansión y un aislamiento térmico sin pérdidas de energía. Dicho de otro modo,
en el mundo real no es posible construir motores que funcionen o se acerquen

5. siquiera a estas condiciones.
Lo que todo ello significa es que, en el diseño de un motor térmico, el objetivo no
puede ser convertir toda la energía química en movimiento, sino intentar no
desperdiciar mucho más de la mitad, en el mejor de los casos.
Como ejemplo notable de la eficiencia máxima alcanzable en el mundo real por un
motor diésel, ya expusimos con cierto detalle el caso del motor alternativo más
potente del mundo, un diésel naval de 109.000 CV. Su eficiencia máxima era de
un 51,5% girando alrededor de 100 rpm. Puesto que su lentitud lo hace mucho
más eficiente que un diésel automovilístico, cabe suponer que ningún diésel
montado en un coche a día de hoy se encuentre ahora mismo muy por encima de
un 40% de rendimiento en su régimen de trabajo y carga óptimos, si es que lo
alcanza, y desde luego no en toda su gama de revoluciones.
Por lo que respecta a los motores de gasolina, deberían estar alrededor de 2/3 de
esa cifra según las numerosas referencias consultadas, así que podríamos tomar
como valor aproximado de rendimiento óptimo para un gasolina moderno un
aprovechamiento no muy superior al 30% de la energía consumida, suponiendo
que se alcance tal cota y, de nuevo, no en toda la gama de revoluciones y niveles
de carga.
El calor generado por el motor engulle al menos el 60% de la energía química del
combustible
En todos los casos, hablamos de que el calor generado por el motor de un coche

6. convencional engulle al menos el 60% de la energía química del combustible en el
caso del diésel y al menos un 70% en el caso de un gasolina. Falta descontar
todavía la resistencia a la rodadura, la resistencia aerodinámica y todas las
pérdidas de transmisión hasta poner el vehículo en movimiento…
Conclusiones
Como hemos visto, bastante más de la mitad de la energía contenida en el
combustible se pierde inevitablemente en forma de calor antes de empezar a
mover la transmisión. Al margen de las mejoras tecnológicas que indudablemente
se pueden hacer, los motores térmicos son, por definición, un despilfarro
energético de primera magnitud y no podrán dejar de serlo. Los principios básicos
de la termodinámica lo impiden de un modo absoluto.
Los motores térmicos son, por definición, un despilfarro energético de primera
magnitud
Así pues, si pretendemos reducir el consumo energético de nuestros
desplazamientos, deberemos escoger entre pequeñas mejoras incrementales
derivadas de la evolución de los actuales motores de combustión interna, cuyo
techo termodinámico ya no puede estar muy lejos, o un cambio radical en el
modelo de propulsión que, definitivamente, abandone las máquinas térmicas del
S.XIX y aproveche la energía con otro tipo de mecanismos.
Con todos los importantísimos problemas que quedan todavía por resolver, cabe
decir que el motor eléctrico no es una máquina térmica y su eficiencia real actual
supera habitualmente el 90%, no conociendo más límite que el de la conservación
de la energía.