Máquinastérmicas son dispositivos capaces de transformar la energía térmica en Trabajo mecánico. Toda máquina térmica necesita una fuente de calor y de una sustancia de trabajo capaz de tener su volumen modificado y, en consecuencia, mover algún mecanismo, como válvulas o pistones.
Tú motores de combustión interna, como los que conducen los coches de hoy, son ejemplos de máquinas térmicas. Absorben el calor que se produce al quemar una mezcla de combustible y aire, que se inyecta periódicamente en sus cilindros.
De esta forma, parte de la energía que se libera durante la explosión se convierte en trabajo, a través del Movimiento del pistón: una de las partes móviles del motor, que se utiliza para convertir la energía térmica en energía. cinética.
¿Cómo funcionan las máquinas térmicas?
Todas las máquinas térmicas funcionan de acuerdo con un ciclotermodinámico, es decir, secuencias de estados termodinámicos que se repiten. Estos ciclos tienen diferentes estados de volumen, presión y temperatura, que generalmente se representan mediante gráficos de presión frente a volumen. Los ciclos termodinámicos se diseñan en busca de una mayor eficiencia energética, es decir, siempre se busca la producción de motores capaces de extraer una gran cantidad de trabajo.
En cualquier ciclo termodinámico, es posible calcular el trabajo gráficamente. Para eso, es necesario calcular el área del interior del gráfico, lo cual puede ser complicado de realizar, si el ciclo en cuestión tiene alguna forma irregular. Además, la dirección de las flechas, en sentido horario o antihorario, indica si el ciclo en cuestión es el ciclo de una máquina térmica o un frigorífico. Verificar:
Ciclo en el sentido de las agujas del reloj: Si la dirección del ciclo es en el sentido de las agujas del reloj, el ciclo es el de una máquina térmica, que absorbe calor y produce trabajo.
Ciclo en sentido antihorario: En el caso de que la dirección de un ciclo sea en sentido antihorario, necesita recibir trabajo mecánico y liberar calor, como en el caso de los motores de los refrigeradores.
Cada máquina térmica tiene una configuración similar: tiene un fuenteencalor (fuente caliente), de la cual extrae la energía necesaria para su funcionamiento, y un lavabo (fuente de frío), donde se disipa parte del calor absorbido. Tenga en cuenta el siguiente esquema:
De acuerdo con primera ley de la termodinámica, las máquinas térmicas necesitan recibir una cierta cantidad de calor para funcionar. Sin embargo, solo una pequeña fracción de esa cantidad de calor, que es una forma de energía, puede ser convertido en trabajo útil.
Las razones de esta limitación son esencialmente dos: la primera se refiere a la capacidad técnica para producir una máquina que no se disipa energía, que es imposible, y la segunda es una limitación de la naturaleza misma: según la segunda ley de la termodinámica, ninguna máquina térmica puede presentar un Producir 100%. Vea lo que dice la segunda ley de la termodinámica, conocida como ley de entropía, según la declaración de Kelvin:
"No es posible que ningún sistema, a una determinada temperatura, absorba calor de una fuente y lo transforme totalmente en trabajo mecánico, sin modificaciones a este sistema o su barrios ".
La declaración de Kelvin se refiere a la conversiónintegral de calor en el trabajo mecánico, afirmando que esto es imposible sin que se produzcan "cambios" en el sistema. Este cambio se refiere al efecto de la entropía: cuando se toma calor de alguna fuente caliente, parte de esa energía se degrada en formas de energía menos útiles. Existen muchos procesos de degradación energética: vibración de piezas mecánicas, fricción entre piezas y cojinetes, calor disipado al ambiente externo, producción de ruidos audibles, etc.
Vea también: Conozca la historia de las máquinas térmicas.
Mapa mental: máquinas térmicas
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Rendimiento de máquinas térmicas
La eficiencia de cualquier máquina térmica se puede calcular como la relación entre el trabajo mecánico que produce y la cantidad de calor que absorbe de alguna fuente caliente:
η - Actuación
τ - Trabajo mecánico (J - julios o cal - calorías)
QQ – Calor de la fuente caliente (J - julios o lima - calorías)
El trabajo mecánico, a su vez, está determinado por la diferencia entre las cantidades de calor "Caliente" y "frío", por lo tanto, podemos escribir el rendimiento de las máquinas térmicas a través de estos cantidades:
QF - calor dado a la fuente fría
Buscando determinar cuáles serían las características del ciclo termodinámico "perfecto", el físico francés sadicarnot desarrolló un ciclo que, al menos teóricamente, presenta la más grandeeficienciaposible para una máquina térmica que funciona a las mismas temperaturas.
Este ciclo, conocido como el Ciclo de Carnot, popularmente llamado máquina de carnot, no es una máquina real, ya que hasta el día de hoy, imposibilidades técnicas y prácticas impedían la construcción de tal máquina.
Vea también:¿Qué es el calor latente?
Teorema de Carnot
O teoremaencarnot, enunciado en 1824, establece que incluso la máquina térmica ideal, que no disipa ninguna cantidad de energía por fricción entre sus partes móviles, tiene un límite de rendimiento máximo, que depende de la relación entre las temperaturas de su fuente caliente y fría, dada en Kelvin:
TQ - Temperatura de la fuente caliente (K)
TF - Temperatura de fuente fría (K)
Analizando la fórmula anterior, es posible ver que la máquina térmica ideal tiene su rendimiento determinado exclusivamente por las temperaturas de sus fuentes de calor y frío. Además, para que su rendimiento sea del 100%, sería necesario que TF era cero, es decir, 0 K, la temperatura del cero absoluto. Sin embargo, de acuerdo con el Tercera ley de la termodinámica, esa temperatura es inalcanzable.
La fórmula de eficiencia que se muestra arriba solo es válida para máquinas térmicas que operan según el ciclo de Carnot. Además, el teorema también muestra que la relación de temperaturas TF y TQ es igual a la relación entre las cantidades de calor QF y QQ:
Vea también:Obtenga más información sobre el rendimiento de la máquina térmica
Ciclo de Carnot
O Ciclo de Carnot tiene lugar en cuatro etapas (o cuatro tiempos). Este ciclo está formado por dos transformaciones adiabáticas es dos transformaciones isotermas. Las transformaciones adiabáticas son aquellas en las que no hay intercambio de calor, mientras que las transformaciones isotérmicas son aquellas en las que no existe variación de temperatura y, en consecuencia, la energía interna de la sustancia de trabajo responsable de mover el motor térmico permanece constante.
La siguiente figura representa el ciclo de Carnot y sus cuatro etapas. Verificar:
I - Expansión isotérmica: En este paso, la sustancia de trabajo se expande, manteniendo su temperatura constante, realiza un trabajo y recibe calor de la fuente caliente.
II - Expansión adiabática: En esta etapa, la sustancia de trabajo se expande un poco y funciona sin recibir calor.
III - Contracción isotérmica: En esta etapa, el volumen del gas disminuye, su presión aumenta y su temperatura se mantiene constante, además, el gas pierde calor hacia la fuente fría. En esta etapa, se trabaja con el gas.
IV - Contracción adiabática: El gas tiene un rápido aumento de presión y una pequeña disminución de volumen, pero no intercambia calor durante el proceso.
Ciclo de Otto
El ciclo de Otto es una secuencia de transformaciones físicas sufridas por alguna sustancia de trabajo como la gasolina o el etanol. Este ciclo se usa ampliamente en los motores de combustión interna que impulsan la mayoría de los vehículos de pasajeros. Aunque no existe en la práctica, el ciclo de Otto fue diseñado para aproximarse a un ciclo de Carnot. La siguiente figura muestra las etapas del ciclo Otto.
I - Proceso 0-1: Admisión isobárica: En este proceso, el motor admite una mezcla de aire y gasolina a presión constante;
II - Proceso 1-2: Compresión adiabática - En este proceso, hay un rápido aumento de la presión que ejercen los pistones del motor, por lo que no hay tiempo para que se produzcan intercambios de calor;
III - Proceso 2-3-4: Combustión a volumen constante (2-3) y expansión adiabática (3-4) - Una pequeña chispa produce una explosión controlada en la mezcla de aire y gasolina y luego el pistón del El motor desciende rápidamente, provocando un aumento de volumen y produciendo una gran cantidad de trabaja;
IV - Proceso 4-1-0: Agotamiento isobárico - Las válvulas de escape se abren y dejan que el humo del combustible en combustión salga del motor a una presión constante.
Los pasos explicados anteriormente se muestran en la siguiente figura, que representa los pasos operativos de un motor de cuatro tiempos, propulsado por gasolina o alcohol. El movimiento del pistón en cada una de las posiciones mostradas es equivalente a los procesos descritos:
Ejemplos de máquinas térmicas
Ejemplos de máquinas térmicas son:
Motores de combustión interna, como los que funcionan con alcohol, gasolina y diesel;
Máquinas de vapor;
Centrales termoeléctricas.
Máquinas térmicas y la revolución industrial
Las máquinas térmicas jugaron un papel importante en el desarrollo tecnológico de la sociedad. Después de perfeccionado por JaimeVatio, Las máquinas térmicas accionadas por vapor permitieron que ocurriera la Revolución Industrial, que cambió radicalmente el mundo.
¿Le gustaría saber más sobre este tema? Accede a nuestro texto sobre Revolución industrial.
Refrigeradores
Los refrigeradores, o máquinas frigoríficas, son máquinas térmicas invertidas. En estos dispositivos, es necesario realizar trabajos debajo del gas dentro del motor para que se expanda absorbiendo calor del entorno. Ejemplos de refrigeradores son: refrigeradores, congeladores y aire acondicionado.
Si quieres saber más sobre cómo funciona este tipo de máquina, visita nuestro texto sobre funcionamiento y propiedades de los refrigeradores.
Ejercicios en máquinas térmicas
Ejercicio 1) Una máquina térmica recibe 500 J de calor de una fuente caliente en cada ciclo de funcionamiento. Si esta máquina disipa 350 J de calor en su disipador frío, ¿cuál será su eficiencia energética en porcentaje?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Plantilla: Letra c
Resolución:
El ejercicio proporciona las cantidades de calor que necesita la máquina para funcionar durante un ciclo, por lo que podemos determinar su rendimiento utilizando la fórmula que relaciona QQ y QF, vea:
El cálculo anterior indica que solo el 30% de la energía térmica disponible para el motor en cada ciclo se transforma en trabajo mecánico.
Ejercicio 2) Una máquina que opera en el ciclo de Carnot tiene sus temperaturas de fuente fría y caliente de 600 ky 400 k, respectivamente. Esta máquina disipa 800 j de calor a su fuente de temperatura más baja en cada ciclo. Calcule la cantidad de calor caliente absorbido por la máquina en cada ciclo y su eficiencia como porcentaje, luego marque la alternativa correcta.
a) 67% y 320 j
b) 33% y 1200 j
c) 33% y 1900 j
d) 62% y 1900 j
e) 80% y 900 j
Plantilla: Letra b
Resolución:
Primero, calculemos la eficiencia del motor térmico en cuestión. Para ello, usaremos las temperaturas de las fuentes frías y calientes:
Utilizando los valores de temperatura informados en el comunicado, tenemos que resolver el siguiente cálculo:
Calcular la cantidad de calor que absorbe la máquina en cada ciclo es simple, simplemente use el teorema de Carnot:
Para resolver el cálculo, simplemente reemplace los datos del ejercicio en la fórmula anterior.
Por mí. Rafael Helerbrock
Fuente: Escuela Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm