Maquina termica

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TRANSFERENCIAS DE ENERGIA Y MAQUINAS TERMICAS

En todos los análisis de fenómenos mecánicos y térmicos efectuados hasta el momento en la asignatura, se ha sacado provecho del concepto físico abstracto de Energía y del Principio de Conservación de la Energía, conocido también como Primer Principio de la Termodinámica. Se ha establecido que cualquier variación de la energía total de un sistema enel transcurso de un proceso se explica por un perfecto balance entre las cantidades de energía transferidas hacia y desde el sistema por medio de trabajo, de calor o de radiación.

Ahora bien, al profundizarse durante el siglo XIX en el estudio de las máquinas térmicas, dispositivos diseñados para funcionar cíclicamente a base de transferencias de energía por medio de procesos de calor y detrabajo, se descubrió un principio físico tan importante como el de Conservación de la Energía, pero de mayor abstracción y complejidad por sus implicancias. Se le conoce como Segundo Principio de la Termodinámica y se refiere a la degradación de la energía, o sea, a su pérdida de disponibilidad para transferencias por medio de trabajo más allá de cierto límite impuesto por la Naturaleza a todoproceso real.

Para aproximarse a la comprensión del Segundo Principio de la Termodinámica es necesario detenerse un poco en torno a la noción de máquina térmica.

En Física, la idea de máquina térmica es una idea simplificadora, un modelo teórico para el estudio de una amplia variedad de mecanismos en que intervienen transferencias de energía por medio de procesos de calor y de trabajo. Loselementos de este modelo aparecen en el esquema siguiente:

El modelo de máquina térmica permite comprender, por ejemplo, el funcionamiento de una locomotora, o de un barco a vapor, o el del motor de un automóvil, o el de una central termoeléctrica de combustible fósil o nuclear.

La sustancia de trabajo de una máquina térmica es un fluido al que se hace experimentar una serie de procesos en formacíclica para que sea reutilizable. Como al final de cada ciclo las condiciones del sistema son iguales a las que existen al comienzo, el sistema no sufre variación de energía interna, y el Principio de Conservación de la Energía o Primer Principio de la Termodinámica se traduce en que

[pic]

Este balance de energía se puede representar gráficamente mediante un “diagrama-flecha”:

Tal como daa entender el esquema, la máquina funciona transfiriendo por medio de trabajo W hacia el medio exterior una fracción de la energía que se le transfiere a ella por medio de calor Qc desde una fuente térmica externa a una temperatura elevada Tc.

La fracción del aporte externo de energía que la máquina es capaz de transferir por medio de trabajo aprovechable W se denomina rendimiento o eficienciatérmica, definido por

[pic]

A su vez, como [pic], entonces

[pic] , ya que siempre [pic]

Es decir, la eficiencia de toda máquina térmica es siempre inferior al 100%.

La parte restante del aporte externo de energía que no aparece como trabajo aprovechable, se transfiere hacia una fuente externa que se encuentra a menor temperatura que el sistema. Los ingenieros se refieren a ella comouna “descarga de calor residual” Qf.

El Segundo Principio de la Termodinámica establece que es imposible lograr un proceso cíclico cuyo único efecto sea absorber energía por medio de calor a una temperatura dada y transferirla por medio de una cantidad equivalente de trabajo. En otras palabras, toda máquina térmica requiere para funcionar de dos fuentes exteriores a distintas temperaturas, einevitablemente debe transferir por medio de calor residual Qf hacia la fuente fría una parte de la energía que se le transfiere a ella por medio de calor Qc desde la fuente caliente. Por lo tanto, en la expresión de la eficiencia térmica de la máquina, el cuociente Qf /Qc no se puede reducir a cero.

Es importante considerar que no se trata de una limitación tecnológica temporal de las...
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