Máquinas térmicas

Máquinas térmicas
Las máquinas térmicas son aquellas que convierten energía calorífica en trabajo mecánico y vice versa. Cuando la máquina usa energía en forma de calor para producir trabajo, resulta en un motor térmico. El proceso inverso, es decir, las máquinas que utilizan trabajo mecánico para transferir calor de un foco térmico frío a otro caliente son los refrigeradores y las bombas decalor.
Motores térmicos
Un motor térmico es un dispositivo que convierte energía térmica en energía mecánica, por ejemplo, el motor de un automóvil que extrae energía térmica al quemar un combustible, y la convierte en la energía mecánica que mueve el automóvil. Sin embargo, en todos los motores térmicos fabricados hasta hoy la conversión de energía térmica a energía mecánica está acompañada por laemisión de gases de escape que desechan alguna de la energía suministrada. Solamente una parte de la energía del combustible quemado se convierte en energía mecánica.
Condiciones a cumplir por un motor térmico
Para que un dispositivo funcione de manera útil como motor térmico este debe cumplir con dos cuestiones fundamentales:
1.- Debe funcionar en ciclos: Para ver por qué un motor que opera en unsolo ciclo (monocíclico) es menos útil tengamos en cuenta la expansión isotérmica de un gas. Consideremos el gas confinado a un recipiente cilíndrico con un pistón móvil, estanco y sin rozamiento, como el de la figura 1 colocado sobre un foco calórico. Durante la expansión, la energía que se necesita para mover el pistón se suministra por el foco calórico, de modo que durante el proceso seconvierte la energía térmica procedente del foco calórico en energía mecánica. Sin embargo, aún no tenemos un motor, debido a que el proceso se realiza en una sola dirección. El volumen del cilindro no puede crecer de manera indefinida, la presión, que es inversamente proporcional al volumen, se cae, por lo que llegará un momento que ella, en el gas en expansión, será demasiado baja e incapaz de moverel pistón. Se desprende entonces que para que este sistema sea un motor necesariamente tendrá en algún momento que recomprimirse el gas y restaurarse el pistón a su posición original para comenzar un nuevo ciclo en la realización de trabajo.
2.- Para que el motor funcione de manera cíclica debe incluir más de un foco calórico: Para investigar el por qué, considere el sistema descrito en el puntoanterior. Si el pistón se hace regresar a su posición inicial estando en contacto aun con el foco calórico original, entonces todo el trabajo entregado por el gas durante la expansión tendrá que ser utilizado nuevamente para re comprimir el gas. La expansión original se revierte y finalmente no hay trabajo neto realizado. Para que el ciclo dé una cantidad de trabajo neto se debe interrumpir elcontacto con el foco calórico original y entrar en juego una temperatura diferente. Si la nueva temperatura es más baja que la utilizada durante la expansión, la presión en el gas se reduce y puede re comprimirse con una cantidad de trabajo menor que la rendida en el ciclo de expansión, y esto implica que queda un remanente de trabajo utilizable mientras se restaura la posición del pistón y esté listopara comenzar un nuevo ciclo de expansión.
Eficiencia
Todos los motores térmicos tienen una eficiencia que es una medida de cuan bien se ha utilizado el flujo de calor desde el foco calórico de mayor temperatura en la producción de trabajo. Si el trabajo hecho en un ciclo completo es W, entonces se define la eficiencia del ciclo, η, como el cociente entre el trabajo hecho y la cantidad totalpositiva de calor que ha entrado en el ciclo, Qc.
η ≡ W/Qc*      (ecuación 1)

* Se usa el símbolo ≡ para indicar que es una definición.
Motores térmicos teóricos
El motor térmico de Carnot
Tan temprano como en 1824 el ingeniero francés llamado Sadi Carnot describió un motor térmico teórico. Al ciclo de trabajo de este motor se le llama ciclo de Carnot y es de gran importancia tanto desde el punto...