Una máquina térmica es un dipositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo.
El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma empírica, se llega así al primer enunciado del Segundo Principio:
Enunciado de Kelvin-Planck
No es posible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo.
Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos. El esquema más sencillo de funcionamiento es entonces el siguiente:
Absorbe una cantidad de calor Q1 de un foco caliente a una temperatura T1
Produce una cantidad de trabajo W
Cede una cantidad de calor Q2 a un foco frío a una temperatura T2
Como la máquina debe trabajar en ciclos, la variación de energía interna es nula. Aplicando el Primer Principio el trabajo producido se puede expresar:
En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)
Rendimiento (η)
El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno:
Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las máquinas más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.
Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:
Siempre hay factores que disipan energía en forma de calor como las resistencias eléctricas y el rozamiento. Esto provoca que no salga tanto trabajo como el que entra, y una parte se escapa en forma de calor disipado al ambiente. Para que fluya calor desde el sistema al ambiente, éste debe estar a una temperatura más baja que el sistema (lo que es lo habitual, ya que en los motores se alcanzan altas temperaturas). Por ello, el calor desechado va al “foco frío”.
Ejemplo:
1. característico de máquina térmica es la máquina de vapor, que se emplea en la mayoría de las centrales eléctricas (sean estas térmicas, termo-solares o nucleares).
2.En el caso de la central nuclear, este calor proviene de una conducción de agua u otro fluido a muy altas temperaturas después de haber pasado por el reactor . El vapor que sale de la caldera se hace pasar por una turbina que mueve al generador eléctrico, el cual transmite la energía eléctrica la red. El vapor enfriado tras pasar por la turbina es enviado a un condensador, donde, en contacto con agua fría del exterior vuelve al estado líquido (por esto las centrales nucleares deben estar junto a ríos o junto al mar, como en el caso de Fukushima). Una vez licuado, el agua vuelve a entrar en la bomba, reiniciándose el proceso. La bomba es alimentada desde la red eléctrica, con lo cual a la producción de energía de la central hay que descontar lo que ella misma consume.
De acuerdo con el primer principio de la termodinámica, por tratarse de un proceso cíclico la energía interna del sistema no cambia en un ciclo, y el trabajo neto equivale a la diferencia entre el el calor que entra y el calor que sale
Ciclos termodinámicos ideales
Para elaborar una teoría de una determinada máquina térmica, es necesario realizar una serie de simplificaciones y aproximaciones, de forma que el ciclo real se reduzca a procesos sencillos.
La principal de estas simplificaciones consiste en suponer que los procesos son cuasiestáticos de forma que el sistema se encuentra siempre muy próximo al equilibrio. De esta forma, el ciclo puede representarse en un diagrama de estado. El ciclo termodinámico de la máquina vendrá en ese caso representado por una curva cerrada. En el caso de un diagrama pV se tratará de una curva recorrida en sentido horario. El área delimitada por esta curva es el trabajo neto realizado en el ciclo, que será coincidente (en valor absoluto) con el calor neto que entra en el sistema.
El sustituir el proceso real por uno ideal es una aproximación que a menudo es muy mala, pero que posee la utilidad de funcionar como un referente, ya que en un proceso real el rendimiento es siempre inferior al de un ciclo ideal (por la presencia de rozamiento y otros factores disipativos). Por tanto, el ciclo ideal funciona como un límite al que aspirar. Si la teoría del ciclo ideal establece que el rendimiento máximo es de, por ejemplo, un 40%, sabemos que con un motor real nunca vamos a obtener más de esa cifra.
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