Maquina Térmica

Maquina Térmica
Una maquina térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que
realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a
temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el termino maquina térmica se
utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. Entre las que
tenemos las maquinas refrigerantes y las bombas de calor. El mejor ejemplo de estas maquinas térmicas son
los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno.
Características del ciclo de Carnot
• El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin
importar la cantidad de calor que se transfiera permanecen constantes.
• Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se podría invertir.
• El fluido de trabajo de una maquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatura
infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la
fuente de baja temperatura e el caso de un refrigerador.
Postulado de la segunda ley asociado a las Maquinas térmicas y Maquinas Refrigerante
Enunciado de Kevin−Planck: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca
ningún otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo dispositivo.
Este enunciado propone que es imposible construir una maquina térmica a la cual se le aplique cierta cantidad
de calor y lo transforme en una cantidad igual de trabajo, la única manera es a través de una transferencia de
calor y eso solo si hay dos niveles de temperatura.
Enunciado de Clausius: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro
efecto que la transferencia de calor de un cuerpo mas frio a otro mas caliente.
En este enunciado se relaciona con el refrigerador o bomba de calor. En efecto establece que es imposible
construir un refrigerador que funcione sin suministrarle trabajo. Ya que el ciclo de refrigeración necesita que
al fluido de trabajo se le aplique un trabajo en el compresor.
Estos dos enunciados tienen tres particularidades: la primera es que la base de la segunda ley viene dado por
la evidencia experimental ya que se han realizado varios experimentos que directa o indirectamente
demuestran la segunda ley y nunca se ha realizado nunca una prueba que demuestre lo contrario.
La segunda observación es que estos dos enunciados son equivalentes o sea que una violación del enunciado
de Kevin−plack significaría una violación del enunciado de Clausius.
La tercera es la imposibilidad de construir una maquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.
Eficiencia de una maquina térmica
Se dice que la eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía
que cuesta pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una maquina térmica, la energía que
se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura ( costo del
combustible) la eficiencia térmica se define como:
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ðTérmica = W (Energía que se busca) = Qh − Ql = 1 − Ql
Qh (Energía que cuesta) Qh Qh
La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de rendimiento, que se identifica con el
símbolo ðð En un refrigerador, la energía que se busca es el calor que se transfiere desde el espacio
refrigerado. La energía que cuesta es el trabajo, así el coeficiente de rendimiento, ð, es:
ð = Ql (Energía que se busca) = Ql = 1
W ( Energía que cuesta) Qh − Ql Qh/Ql − 1
En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta
temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es:
ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1
W ( Energía que cuesta) Qh − Ql 1− Ql/Qh
Maquinas Refrigerantes y Bombas de Calor
En una maquina refrigerante o refrigerador el fluido de trabajo es el refrigerante como R− 12, R − 22, R −
134ª, R − 407c, Agua destilada y el amoniaco, que pasa por un ciclo termodinámico. El cual comienza en el
compresor al cual entra refrigerante a baja presión y temperatura en un estado de vapor saturado y sale como
vapor sobrecalentado alta presión llega al condensador donde el refrigerante se condensa transfiriendo el calor
al agua o al entorno de manera natural o por flujo forzado, del condensador sale como vapor húmedo y pasa a
la válvula de expansión en donde baja su presión y pasa al evaporador donde todo el refrigerante se evapora
mediante una transferencia de calor del entorno al fluido de trabajo, este vapor entra nuevamente al compresor
cumpliéndose el ciclo.
Introducción
El análisis de la segunda ley de la termodinámica nos da a entender el segundo paso hacia el estudio de los
procesos termodinámicos que comenzó con la ley cero y la primera ley las cales solo hacen el estudio solo a
procesos reversible que no toman en cuenta factores como la fricción, expansión irrestricta, la transferencia de
calor y la mezcla de dos sustancias diferentes, y que al tratar de invertir el proceso no hay cambios ni en el
sistema ni el entorno cosa que no sucede en la vida real en donde la mayoría de los procesos son irreversibles.
La particularidad de esta segunda ley son sus dos postulados principales que hacen referencia directamente al
funcionamiento de maquinas térmicas, asi como el enunciado de Carnot que plantea una Maquina térmica
reversible con una eficiencia muy alta.
Conclusión
La segunda ley de la termodinámica surge como una respuesta al vació e incomprensión que deja la primera
ley con respecto a lo sistemas irreversible los cuales son prácticamente ignorados, con la segunda ley aparece
un nuevo termino llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la
industria por que permiten determinar cual es el rendimiento de una maquina térmica ya sea un refrigerador o
una bomba de calor obteniendo así información acerca del proceso termodinámico y por ende la modificación
o el diseño de un refrigerador o bomba de calor optimo. Se pudo observar el por que las industrias que
tuvieran una maquina térmica buscaban fuentes de agua naturales y espacios apartados, todo esto debido a que
uno de los principios de la segunda ley son fuentes de baja y alta temperatura que puedan mantenerse
constantes sin importar la transferencia de calor. Por ultimo el principio mas fundamental de esta ley es la
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experimentación practica ya que de ahí provienen dos de los postulados base de esta ley.
Una bomba de calor es similar a un refrigerador la única diferencia es el propósito de la maquina térmica
mientras que en un refrigerador se quiere que haya una transferencia de calor del entorno a la maquina térmica
logrando asi bajar la temperatura del entorno, en la bomba la transferencia sucede desde la maquina térmica al
entorno buscando asi el calentamiento del ambiente.
Bibliografía
WYLEN V. Fundamentos de termodinámica. Editorial Limusa S.A. México. 2002.
ANÁLISIS DE LA SEGUNDA LEY
INTEGRANTES:
CARACAS, 30 DE JULIO DE 2004
Ejercicio 29
Un motor de automóvil consume combustible a razón de 20 L/h y transfiere 60 Kw de potencia a las ruedas.
Si el combustible tiene un poder calorífico de 44000 Kj/Kg y una densidad de 0.8 g/cm3, determine la
eficiencia de este motor.
Ejercicio 75
En climas tropicales, el agua cercana a la superficie del océano permanece caliente durante el año debido a la
absorción de energía solar. Sin embargo, en las partes mas profundas del océano, el agua permanece a una
temperatura relativamente baja puesto que los rayos del sol no pueden penetrar muy hondo. Se propone
aprovechar esta diferencia de temperatura y construir una central eléctrica que absorberá calor del agua
caliente a la superficie y liberara calor de desecho en el agua fría a unos cientos de metros abajo. Determine la
eficiencia térmica máxima de dicha planta si las temperaturas del agua en los dos puntos respectivos son 24 y
4° C
Ejercicio 104
Se emplea un sistema de acondicionamiento de aire para mantener una casa a una temperatura constante de
20° C. La casa gana calor del exterior a una relación de 20000 Kj/h, y el calor generado en la casa por la
gente, las lámparas y los aparatos es igual a 8000 Kj/h. Para un COP de 2.5, determine la entrada de potencia
requerida para este sistema de acondicionamiento de aire
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