Máquinas térmicas

Máquinas térmicas

Hemos definido un sistema termodinámico que avanza pasando por un conjunto de procesos, y que regresa en forma periódica a su estado inicial, como un dispositivo cíclico. A un conjunto completo de procesos que permite el primer regreso de un sistema a su estado inicial se le llama ciclo. Hay muchos ejemplos de dispositivos cíclicos, algunos de los cuales son centrales deenergía eléctrica que usan carbón o combustible nuclear, o motores eléctricos y aparatos mecánicos de refrigeración, como refrigeradores y acondicionadores de aire. (Rolle, 2006)

Existen otros dispositivos que pueden considerarse cíclicos si se incluye la atmosfera como parte del sistema: el motor de combustión interna, que usa gasolina o diesel, las turbinas de gas o los motores de reacción, y lasmáquinas de vapor, que descargan a la atmósfera. (Rolle, 2006)

A determinado dispositivo cíclico que transfiere calor a sus alrededores lo llamaremos máquina térmica. (Rolle, 2006)

La invención y mejoramiento de la máquina de vapor y del motor de combustión interna desempeñaron un papel importante en el desarrollo industrial, pues en gran medida cambiaron la naturaleza de nuestra vidadiaria. (Senway et al., 2005)

Una máquina térmica es un aparato que convierte energía interna en otras formas útiles, por ejemplo, energía eléctrica y mecánica. Durante un proceso típico para producir electricidad en una planta eléctrica, por ejemplo, se quema carbón u motor combustible, y la energía interna resultante se utiliza para convertir agua en vapor. Este vapor se dirige hacia las paletasde una turbina y la hace ponerse en rotación. Finalmente, la energía mecánica asociada con esta rotación se emplea para mover un generador eléctrico. En otra máquina térmica, el motor de combustión interna de un automóvil, entra energía la motor cuando se inyecta combustible en un cilindro y una parte de esta energía se convierte en energía mecánica. (Senway et al., 2005)

En general, una máquinatérmica somete cierta cantidad de sustancia que trabaja a procesos cíclicos durante los cuales se transfiere energía térmica a partir de una fuente a alta temperatura, la máquina realiza trabajo y la máquina expulsa energía por medio de calor a una fuente que está a menor temperatura. Como ejemplo, considere la operación de una máquina (también llamada motor) de vapor en la que la sustancia detrabajo es el agua. El agua de la máquina es sometida a un ciclo en le cual primero se convierte en vapor en una caldera y luego se expande contra un émbolo. Después que el vapor se condensa con agua enfriamiento, se devuelve a la caldera y el proceso se repite. (Senway et al., 2005)





Es útil dibujar esquemáticamente una máquina térmica. La máquina absorbe energía Qk del depósitocaliente, realiza trabajo Wmotor y luego cede energía Qs al depósito frío. (Nótese que se realiza trabajo negativo sobre el motor, de modo que w=-Wmotor.) Como la sustancia de trabajo es sometida a un ciclo, sus energías internas inicial y final son iguales, o sea que ΔU=0. Por lo tanto, de la primera ley de termodinámica

ΔU= Q +W ó Qneta= -w = Wmaq

Esto desmuestra que el trabajo Wmaq realizado poruna máquina térmica es igual a la energía neta absorbida por la máquina. (Senway et al., 2005)

Qneta = |Qk| - |Qe|

por lo tanto

Wmaq = |Qk| - |Qe|

Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo realizado por la máquina en un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa el proceso en un diagrama PV.

La eficiencia térmica e de un máquina térmica se define comola razón entre el trabajo realizado por el motor y la energía absorbida a la temperatura más alta durante un ciclo.

Podemos considerar la eficiencia como la razón entre lo que se gana y lo que se da. Una máquina térmica tiene 100% de eficiencia (e=1) sólo si Qs=0, es decir, si no se expulsa energía al depósito frío. En otras palabras, una máquina térmica con eficiencia perfecta tendría que...