Created by: roberto.c.alfredo on Jul 27, 2025, 12:48 AM
“Imagínate un refrigerador que renunció a la vida doméstica y ahora corre maratones térmicos: eso es un Stirling.” — Anónimo, o tal vez yo mismo mientras tomaba café.
1. Antecedentes
En 1816, el reverendo escocés Robert Stirling inventó un motor “de aire caliente” buscando algo menos explosivo que los motores de vapor. Hoy lo vemos en submarinos suecos, generadores solares y juguetes steampunk, pero no tanto bajo el capó de tu coche. Vamos a ver por qué.
2. El ciclo ideal — versión express
Piensa en cuatro golpes de timbal que se repiten sin fin; cada uno es un paso del Stirling:
- 1 → 2 (isotérmica): expansión a \(T_h\).
- 2 → 3 (isócoro): enfriamiento a volumen constante.
- 3 → 4 (isotérmica): compresión a \(T_c\).
- 4 → 1 (isócoro): precalentamiento y reinicio.
Gráfico típico \(P\text{-}V\):
3. Anatomía en movimiento — del globito rojo al globito azul 🩰
¿Cómo se traduce el diagrama \(P\text{-}V\) a piezas metálicas que suben‑bajan? Sigue este “ballet” de gas, pistones y esponja térmica y verás que la curva cobra vida.
| Paso | Dónde está el gas | Quién se mueve | Qué pasa con el calor |
|---|---|---|---|
| 1 → 2 (isotérmica 🔥) | Pegado al hot cap | Power piston sale 🚀 | Absorbe \(Q_\text{in}\) del foco caliente |
| 2 → 3 (isócoro) | Atraviesa el regenerador | Displacer se desliza ↔️ | Entrega \(Q_\text{reg}\) al matrix metálico |
| 3 → 4 (isotérmica 🧊) | Todo en el cold cap | Power piston entra ⬇️ | Libera \(Q_\text{out}\) al disipador |
| 4 → 1 (isócoro) | Regresa por el regenerador | Displacer vuelve ↔️ | Recupera \(Q_\text{reg}\); gas se precalienta |
🗒️ ¿Se puede vivir sin regenerador?
Técnicamente sí: un “hot‑air engine” pelado cerraría el mismo ciclo \(P\text{-}V\)… pero quemaría calor como rockstar quema guitarras. El regenerador es un banco térmico al 0 % APR: guarda \(Q_\text{reg}\) en 2→3 y lo presta de vuelta en 4→1. Sin él, el Stirling pasa de “zen maestro” a “estufa glotona”. 🌡️💸
4. Trabajo y eficiencia
El trabajo neto es el área encerrada en la curva \(P\text{-}V\). Para el ciclo ideal con un regenerador perfecto:
\[ \eta_\text{Stirling} = 1 - \frac{T_\text{c}}{T_\text{h}}, \]
idéntico a Carnot (¡wow!).
En la práctica, pérdidas por fricción, fugas y regeneradores no-perfectos arrojan:
\[ \eta_\text{real} \approx 0.4\,–\,0.5 \quad (\text{diseños modernos de laboratorio}), \]
lo cual sigue siendo respetable frente al 0.25–0.35 típico de un ciclo Otto real.
5. ¿Por qué Otto reina en la autopista?
-
Densidad de potencia El Otto explota mezcla aire-gasolina adentro: alta \(p_\text{máx}\) ➜ mucho trabajo por ciclo ➜ RPM altísimas. El Stirling transfiere calor a través de paredes ➜ limitado por conducción y convección ➜ baja potencia por volumen.
-
Respuesta transitoria Piso el acelerador y el Otto cambia mezcla y chispa ya. El Stirling debe calentar/enfriar masas térmicas; la respuesta es más lenta que el solo de sax en “Baker Street”.
-
Complejidad térmica Regenerador, sellos de pistón “caliente” y “frío”, intercambiadores externos... más piezas, más $$$ y mantenimiento.
-
Combustible e infraestructura Aunque funciona con casi cualquier fuente de calor (🔥 múltiples combustibles, solar, geotermia), hoy la logística de gasolineras favorece a los Otto.
TL;DR: Otto = “sprints explosivos” 💥; Stirling = “maratón zen” 🛌. El primero ruge, el segundo susurra; para carriles rápidos, el rugido aún gana.
6. Stirling engines: una probadita
- Alfa, Beta, Gamma: configuraciones de pistón/desplazador.
- Free-piston: sin bielas; ideal para generadores AC lineales.
- Aplicaciones coolest: submarinos AIP suecos, concentradores solares en Atacama ☀️, ¡y prototipos de robots exploradores lunares!
Fun fact: en 1953 Philips presentó el “Bungalow Set”, un mini generador Stirling que podías enchufar a tu radio portátil. ¡El primo vintage de los cargadores solares de hoy! 🔌📻
7. Ejemplo numérico exprés
Supón \(T_\text{h}=900\,\text{K}\) y \(T_\text{c}=300\,\text{K}\).
\[ \eta_\text{ideal} = 1 - \frac{300}{900} = 0.667. \]
Si la potencia térmica que entra es \(P_\text{in}=1500\,\text{W}\):
\[ P_\text{útil} \approx 0.667 \times 1500 \approx 1.0\,\text{kW}. \]
En un Otto real con igual \(P_\text{in}\) y \(\eta=0.30\):
\[ P_\text{útil} \approx 0.30 \times 1500 = 450\,\text{W}. \]
¡Pero ojo! Ese Otto puede ser del tamaño de una cantimplora; el Stirling tal vez necesite un tanque entero 🎒.
8. Cierre rítmico
El ciclo Stirling es el bossa nova de la termodinámica: suave, eficiente, pero no siempre lo ponen en la disco 🚗💨. Aun así, en un mundo que busca energías limpias, tal vez pronto escuchemos su “pum-chack” más seguido.
← Ciclo Otto: cuatro tiempos, mil explosiones — De la chispa a la potencia bajo el capó — Por qué los autos adoran detonaciones controladas.
→ Ciclo Rankine: del vapor al megavatio — Cómo hervir agua para mover el mundo — El siguiente paso en tu viaje por los ciclos termodinámicos.
🔍 Para ver cómo se trazan estos ciclos en un diagrama P‑V, echa un ojo a Cómo leer un diagrama P‑V: el mapa secreto de la potencia