MAQUINAS TERMICAS

MAQUINAS TERMICAS
La base de nuestra sociedad tecnológica es la capacidad de usar fuentes de energía distintas de la potencia muscular. Hay casos en que la energía mecánica está disponible directamente, como la del agua y la del viento; sin embargo, casi toda nuestra energía proviene de quemar combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y de reacciones nucleares. Esa energía se transfiere comocalor, el cual es útil directamente para calentar edificios, cocinar y realizar procesos químicos; no obstante, para hacer funcionar una máquina o impulsar un vehículo, necesitamos energía mecánica.
Por lo tanto, es importante saber cómo tomar calor de una fuente y convertir, tanto de él como sea posible, en energía mecánica o trabajo. Esto es lo que sucede en los motores de gasolina de losautomóviles, los motores a reacción de los aviones, las turbinas de vapor en las plantas de electricidad y muchos otros sistemas. Se efectúan procesos muy simples en el reino animal; los alimentos se “queman” —es decir, los carbohidratos se combinan con oxígeno para producir agua, dióxido de carbono y energía—, y esa energía se convierte parcialmente en energía mecánica cuando los músculos del animalefectúan trabajo sobre su entorno.
Un dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o energía mecánica es una máquina térmica (figura 20.2). Por lo regular, una cantidad de materia dentro del motor experimenta entrada y salida de calor, expansión y comprensión, y a veces cambia de fase. Llamamos a ésta la sustancia de trabajo de la máquina. En los motores de combustión interna, la sustanciade trabajo es una mezcla de aire y combustible; en una turbina de vapor, es el agua.
El tipo de máquina más fácil de analizar es aquel donde la sustancia de trabajo efectúa un proceso cíclico, es decir, una sucesión de procesos que al final deja la sustancia en el estado que inició. En una turbina de vapor, el agua se recicla usándose una y otra vez. Los motores de combustión interna no usan elmismo aire una y otra vez, pero de todos modos podemos analizarlos en términos de procesos cíclicos que aproximan su funcionamiento real.

Fuentes fría y caliente
Todas las máquinas térmicas absorben calor de una fuente a una temperatura relativamente alta, realizan un trabajo mecánico y desechan o rechazan algo de calor a una temperatura más baja. En lo que a la máquina concierne, el calor desechadose desperdicia. En los motores de combustión interna, éste es el calor que se elimina en los gases de escape y en el sistema de enfriamiento; en una turbina de vapor, es el calor que debe salir del vapor usado para condensar y reciclar el agua.
Si un sistema pasa por un proceso cíclico, sus energías internas inicial y final son la misma. Para todo proceso cíclico, la primera ley de latermodinámica exige que
ASI QUE

Es decir, el calor neto que fluye hacia la máquina en un proceso cíclico es igual al trabajo neto realizado por la máquina.
Al analizar máquinas térmicas, resulta útil considerar dos fuentes con las cuales la sustancia de trabajo puede interactuar. Una, llamada fuente caliente, proporciona calor; puede dar a la sustancia de trabajo grandes cantidades decalor a temperatura constante TH sin cambiar apreciablemente su propia temperatura. La otra, llamada fuente fría, puede absorber grandes cantidades de calor desechado por la máquina a una temperatura constante menor TC. En un sistema de turbina de vapor, las flamas y los gases calientes de la caldera son la fuente caliente; y el agua fría y el aire empleados para condensar y enfriar el vapor usado, lafuente fría.
Denotamos las cantidades de calor transferido de las fuentes caliente y fría como
, respectivamente. Una cantidad de calor Q es positiva cuando se transfiere a la sustancia de trabajo, y negativa si sale de dicha sustancia. Así, en una máquina térmica, QH es positivo pero QC es negativo, pues representa calor que sale de la sustancia de trabajo. Esta convención de signos es...