Maquinas Térmicas 

1.- Introducción: 

Conoceremos lo que es una maquina térmica, así como un diagrama que representa una maquina térmica con sus componentes. La maquina térmica realiza un trabajo mecánico Wsal mediante la utilización de una parte de calor de entrada. Una cantidad de calor Qsal se libera al recipiente de baja temperatura Tsal. El sistema periódicamente regresa a su estado inicial, el cambio de energía interna es cero. La primera ley nos dice que: 

Trabajo de salida= calor de entrada=calor de salida

Wsal = Qent - Qsal

2.- Maquinas térmicas: 

Una máquina térmica es un dispositivo 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:

Todas las maquinas térmicas están sujetas a gran número de dificultades, la ficción y la pérdida de calor mediante la conducción y la radiación impiden que las maquinas reales funcionen a su máxima eficiencia. Una maquina ideal, ideal libre de ese tipo de problemas, fue sugerida por Sadi Carnot en 1824.La máquina de Carnot tiene la máxima eficiencia posible tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura, realiza trabajo externo, y deposita calor en un recipiente a baja temperatura.

Las máquinas térmicas pertenecen al grupo de las de fluido compresible. Es decir, a aquellas que tienen la capacidad de realizar un intercambio de la energía mecánica mediante un fluido que logra atravesarlas.

El calor necesario para conseguir que funcione una máquina térmica procede, generalmente, de la combustión de un combustible. Dicho calor es absorbido por un fluido que, al expandirse, pone en movimiento las distintas piezas de la máquina.

Clasificación:

DE COMBUSTIÓN INTERNA (la combustión se produce dentro del motor en mismo lugar donde se encuentran alojados los mecanismos de transmisión y transformación del movimiento)

ALTERNATIVOS (el movimiento producido es alternativo)

- Motores de explosión o de encendido provocado (motores Otto)

- Motores de combustión, de encendido por comprensión

(motores Diesel)

ROTATIVOS (el movimiento producido es rotativo)

- Motor Wankel (motor rotativo volumétrico)

- Turbinas de gas de ciclo abierto (motores de propulsión-aviación)

DE COMBUSTIÓN EXTERNA (la combustión se produce en el exterior del motor-en diferente lugar a donde se encuentran los mecanismos de transmisión del movimiento, siendo un fluido intermedio el encargado de provocar el movimiento de la máquina)

ALTERNATIVOS

- Máquina de vapor

- Motor Stirling

ROTATIVOS

- Turbinas de vapor (en centrales térmicas y nucleares)

- Turbinas de gas de ciclo cerrado (en plantas o industrias de cogeneración)

MAQUINAS TERMICAS INVERSAS Se puede pensar que un refrigerador es una maquina térmica que opera en sentido inverso, un diagrama esquemático de un refrigerador aparece en la figura. 

CONCLUSIONES: 

Podemos definir que la maquina térmica es aquella que realiza un trabajo mecánico con la utilización del calor, conocimos también que una maquina térmica es aquella que tiene la más alta eficiencia posible para los limites de temperatura dentro de los cuales opera; existen maquinas de combustión interna y externa que hacen uso del calor, así como también las maquinas de manera inversa.