Máquina térmica
Páginas: 10 (2361 palabras)
Publicado: 15 de febrero de 2015
MÁQUINA TÉRMICA
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual 1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza un trabajo y 3)libera calor a una fuente a temperatura más baja.
Por ejemplo, en un motor de gasolina, 1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape. O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo decombustible se quema y el calor genera- do se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico.
Como se mencionó antes, una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que lasustancia regresa a su estado inicial. Como ejemplo de un proceso cíclico, considérese la operación de una máquina de vapor en la cual la sustancia de trabajo es el agua. El agua se lleva a través de un ciclo en el que primero se convierte a vapor en una caldera y después de expande contra un pistón. Después que el vapor se condensa con agua fría, se regresa a la caldera y el proceso se repite.
Enla operación de cualquier máquina térmica, se extrae una cierta cantidad de calor de una fuente a alta temperatura, se hace algún trabajo mecánico y se libera otra cantidad de calor a una fuente a temperatura más baja. Resulta útil representar en forma esquemática una máquina térmica como se muestra en la figura 15.1. La máquina, representada por el círculo en el centro del diagrama, absorbe ciertacantidad de calor QC (el subíndice C se refiere a caliente) toma- do de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor QF (el subíndice F se refiere a frío) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero, es decir ∆U = 0.Entonces, de la primera ley de la termodinámica se tiene que “el trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma”. El calor neto es Qneto = QC - QF, por lo tanto el trabajo es:
W = QC - QF
Donde QC y QF se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, eltrabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso en el diagrama PV.
EFICIENCIA TÉRMICA
La energía producida o energía salida del sistema (Esal) es siempre menor que la energía suministrada o energía entrada al sistema (Eent).
La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como larazón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo, se escribe de la forma:
Se puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía). Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si QF = 0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, unamáquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida Qc en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica, que enseguida analizamos, establece que esto es imposible.
CÁLCULO DEL RENDIMIENTO PARA LAS DISTINTAS MÁQUINAS TÉRMICAS
El motor térmico recibe un calor, Qc, de un foco o fuente caliente, efectúa un trabajo, W, y debe ceder calor,...
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual 1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza un trabajo y 3)libera calor a una fuente a temperatura más baja.
Por ejemplo, en un motor de gasolina, 1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape. O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo decombustible se quema y el calor genera- do se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico.
Como se mencionó antes, una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que lasustancia regresa a su estado inicial. Como ejemplo de un proceso cíclico, considérese la operación de una máquina de vapor en la cual la sustancia de trabajo es el agua. El agua se lleva a través de un ciclo en el que primero se convierte a vapor en una caldera y después de expande contra un pistón. Después que el vapor se condensa con agua fría, se regresa a la caldera y el proceso se repite.
Enla operación de cualquier máquina térmica, se extrae una cierta cantidad de calor de una fuente a alta temperatura, se hace algún trabajo mecánico y se libera otra cantidad de calor a una fuente a temperatura más baja. Resulta útil representar en forma esquemática una máquina térmica como se muestra en la figura 15.1. La máquina, representada por el círculo en el centro del diagrama, absorbe ciertacantidad de calor QC (el subíndice C se refiere a caliente) toma- do de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor QF (el subíndice F se refiere a frío) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero, es decir ∆U = 0.Entonces, de la primera ley de la termodinámica se tiene que “el trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma”. El calor neto es Qneto = QC - QF, por lo tanto el trabajo es:
W = QC - QF
Donde QC y QF se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, eltrabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso en el diagrama PV.
EFICIENCIA TÉRMICA
La energía producida o energía salida del sistema (Esal) es siempre menor que la energía suministrada o energía entrada al sistema (Eent).
La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como larazón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo, se escribe de la forma:
Se puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía). Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si QF = 0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, unamáquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida Qc en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica, que enseguida analizamos, establece que esto es imposible.
CÁLCULO DEL RENDIMIENTO PARA LAS DISTINTAS MÁQUINAS TÉRMICAS
El motor térmico recibe un calor, Qc, de un foco o fuente caliente, efectúa un trabajo, W, y debe ceder calor,...
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