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5. CONCEPTOS BÁSICOS PRELIMINARES

Una máquina térmica es un sistema operando en ciclo que recibe calor a alta
temperatura de una fuente, denominada reservorio caliente, y produce trabajo utilizable.
No obstante, dado que la eficiencia de conversión debe ser menor al 100%, parte del
calor suministrado debe ser rechazado hacia un reservorio frío. La figura 5-1 muestra un
esquema una máquinatérmica y de los reservorios térmicos asociados con ella.

Fig. 5-1: Esquema de una máquina de calor movida por un reservorio caliente.

Los reservorios tienen la característica de proporcionar o recibir calor sin alterar
sus temperaturas. Los flujos de calor en los reservorios son reversibles, aunque los
procesos dentro de la máquina térmica pueden involucrar irreversibilidades. El círculode la figura 4-1 es una representación abreviada de la máquina térmica. Tiene el
propósito de mostrar que la sustancia empleada (un fluido tal como un gas ideal o agua)
se mueve entre diferentes estados termodinámicos en un proceso cíclico sin fin. La

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estructura detallada de cada máquina de calor puede variar enormemente, pero la versión
más sencilla consta de cuatro etapas:

1.Una primera etapa en la cual se absorbe calor de forma isotérmica de un

reservorio a alta temperatura.
2.

En la siguiente se produce trabajo de forma adiabática.

3.

A continuación se rechaza, de forma isotérmica, el calor no aprovechado hacia el

reservorio de baja temperatura.
4.

Un paso final en el cual se suministra trabajo para llevar al fluido de trabajo de

vuelta alestado en que se inicio la primera etapa.

La máquina térmica puede operar en dos formas ya sea como un solo aparato que
se mueve en forma secuencial a través de los cuatro procesos descritos anteriormente, o
con un fluido avanzando a través de diferentes aparatos, cada uno ejecutando
específicamente uno de los cuatro pasos.

La configuración tradicional utilizada por todos los autores realizalos cuatro
procesos mediante operaciones unitarias que se efectúan sobre el fluido de trabajo. Esta
es la configuración de una planta de energía eléctrica, de tipo nuclear o fósil. La caldera
(generador de vapor en una planta nuclear) recibe calor de una fuente primaria. El
condensador rechaza calor a un escape como puede ser un río, lago o torre de
enfriamiento. La turbina produce trabajo enuna flecha, la mayor parte del cual se

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transformará a potencia eléctrica con alta eficiencia. De cualquier modo, parte de la
potencia de la turbina es consumida internamente por la bomba utilizada para mantener
la circulación del fluido en el ciclo. El trabajo neto del ciclo esta dado por la ecuación
(5-1):

W

= W

−

2 - 3

W

(5-1)

4 -1

QC

Boiler

BombaTurbina

Frontera del sistema

Condensador

QF

Fig. 5-2: Máquina de calor basada en un fluido de trabajo que circula a través de
cuatro equipos de transferencia de calor y de trabajo.

La primera ley de la termodinámica nos muestra el siguiente balance para el
sistema:

W

Q

C

= Q

F

−

4

W

(5-2)

en el cual QC y QF son la cantidad de calor entregada por elreservorio caliente y recibida
por el reservorio frío, respectivamente.

W es el trabajo neto del ciclo.

Dada la

naturaleza del sistema, no existe diferencia de energía interna entre los ciclos.

5.1 Segunda Ley de la Termodinámica Aplicada a Ciclos de Potencia.

Las siguientes restricciones cuantitativas se descubrieron en las máquinas de
calor en el siglo diecinueve y originaron elconcepto de la entropía. Estas restricciones
limitan el funcionamiento de los ciclos en una forma mucho más clara de lo que hace la
primera ley. Ambas son expresiones equivalentes de la segunda ley, y se encuentran
basadas en evidencia empírica. El enunciado de Kelvin-Planck dice: Ningún ciclo
puede producir trabajo útil con solo un reservorio térmico. Esta es la redacción formal
de un hecho que...