Maquinas termicas

Máquinas térmicas.

Introducción.

El objetivo de las máquinas térmicas es convertir calor en trabajo mecánico o llevar calor de una fuente de calor fría a otra más caliente (refirgeración). En esta pçagina se presenta un ejemplo de máquina térmica con el objetivo principal de ilustrar su funcionamiento y los principios que lo rigen, que son las leyes de la termodinámica.

Unamáquina térmica muy sencilla.

Estudiaremos una máquina térmica que realiza trabajo mecánico elevando bloques y lo hace transfiriendo calor de una fuente caliente a una fría. Suponemos que contamos con una fuente de calor fría que se mantiene siempre a temperatura T1 y es capaz de absorber cualquier cantidad de calor y otra caliente que se mantiene a temperatura constante T2 > T1 y es capaz desumunistrar cualquier cantidad de calor. Contamos también con un cilindro y su pistón que contiene cierta cantidad de un gas ideal y que en cualquier momento podemos poner en contacto cualquiera de las dos fuentes de calor con el cilindro para así enfriarlo hasta una temperatura T1 o calentarlo a una temperatura T2. La presión del gas variará entre dos valores fijos, el menor P1 determinado porel peso del pistón y el mayor P2 determinado por el peso del pistón más el de un bloque. La máquina funcionará así:

1) Compresión adiabática. Cuando el cilindro se encuentra a temperatura T1 el gas está comprimido y el pistón se encuentra abajo. Entonces se montará un bloque de masa m sobre el pistón, lo cual aumentará la presión del gas disminuyendo aún más su volumen y aumentandoligeramente su temperatura. Se supone que el cambio de presión se hace suavemente (algo no indicado en el esquema que va soltando poco a poco la masa). Durante esta etapa no hay intercambio de calor, por eso se llama compresión adiabática. El aumento de temperatura es consecuencia del trabajo realizado por la masa sobre el gas al comprimirlo. Durante esta etapa no cambia la entropía del gas ni la deluniverso.

2) Expansión por calentamiento. Se acerca la fuente de calor de temperatura T2 al cilindro, lo cual hará que su temperatura aumente hasta alcanzar el mismo valor T2. Como la presión es constante, el volumen del gas aumenta y el pistón sube elevando el pistón y el bloque y aumentando su energía potencial. Este aumento de energía potencial es igual al trabajo realizado por el gas sobreel pistón y el bloque, el cual proviene del calor transferido por T2 al gas. No todo ese calor se convierte en trabajo, parte queda como energía interna del gas y sus manifestaciones físicas son el aumento de temperatura y del volumen del gas. La parte del trabajo realizado sobre el pistón volverá a convertirse en calor más adelante, pero el trabajo realizado sobre el bloque se conservará comoenergía potencial. Durante esta etapa disminuye la entropía de la fuente T2 y aumenta la del gas. Esta parte del ciclo no es un proceso reversible: no es posible comprimir el gas y que éste vaya a la vez enfriándose y tranfiriendo calor a la fuente caliente T2. Por eso, como en todos los proceso irreversibles, la entropía del universo aumenta. En efecto, la entropía del gas a temperatura variable T2es dQ/T > dQ/T2, la disminución de entropía en T2 y por lo tanto la entropía del universo aumenta.

3) Expansión adiabática. Se retira la fuente de calor a temperatura T2 y se desmonta el bloque de masa m, con lo cual disminuye la presión sobre el gas, su volumen aumenta aún más y disminuye un poco su temperatura. Se supone que algo no ilustrado en la escena va retirando poco a poco la masahaciendo que la disminución de presión sea gradual. La disminución de temperatura se debe a la expansión del gas. Durante este proceso no hay intercambio de calor, por eso es adiabático. No hay cambio en la entropía del gas ni en la del universo.

4) Compresión por enfriamiento. Se acerca la fuente "fría" de calor de temperatura T1 y se pone en contacto con el cilindro. Esto hace que la...