Máquinas térmicas
Introducción
¡Bienvenidos a tu última clase digital de tu unidad de aprendizaje de Física II!, en esta catorceava clase digital estudiaremos los principios que rigen en una máquina térmica.
Se puede definir a una máquina térmica como un aparato que se utiliza para transformar la energía calorífica en trabajo mecánico.
Independientemente del tipo de máquina térmica de que se trate, su funcionamiento consiste básicamente en la dilatación de un gas caliente, el cual al realizar un trabajo, se enfría.
En esta clase virtual estudiaremos los fundamentos que rigen a una máquina térmica como el trabajo realizado por ella y la eficiencia que puede tener.
Sin más preámbulo, espero que disfrutes tu última clase virtual de la UDA de Física 2, te invito a que cierres el curso con el mismo entusiasmo con el que lo comenzaste.
Desarrollo del tema
Como se dijo anteriormente, una máquina térmica es un dispositivo que convierte la energía calorífica en trabajo mecánico. Existen tres tipos:
- Máquinas de vapor.
- Motores de combustión interna.
- Motores de reacción.
Máquinas de vapor.
Las máquinas de vapor emplean la enorme energía producida por la expansión del agua al transformarse en vapor (cuando el agua se transforma en vapor su volumen se expande 1700 veces) Las máquinas de vapor emplean la enorme energía producida por esta expansión para generar un trabajo. Una máquina de vapor es de combustión externa si el combustible se quema fuera de ella, calentando la caldera productora de vapor que la alimenta.
El vapor producido por la caldera se acumula a muy altas presiones, de ahí pasa al cilindro donde empuja al émbolo hacia el extremo opuesto. Al final del desplazamiento entra vapor por este extremo, empujando el émbolo a su posición inicial. Por medio de un vástago (varilla que penetra por un extremo del cilindro), se pone en conexión el émbolo con el cigüeñal que transforma el movimiento alternativo del émbolo en giratorio. Mientras el vapor penetra y se expande con fuerza a través de un lado del émbolo, el vapor contenido en el otro extremo del cilindro se escapa por una lumbrera con dos aberturas: una para el escape y otra para la admisión del vapor. El vapor utilizado puede disiparse hacia la atmósfera, o bien, ser pasado a un condensador a fin de que al encontrarse en estado líquido se vuelva a emplear en la caldera.
Motores de combustión interna.
La máquina térmica más común es el motor de combustión interna de cuatro tiempos, es decir, dos movimientos ascendentes y dos movimientos descendentes del pistón. Los dos tipos de motores más comunes son el motor de gasolina inventado por Nikolaus A. Otto y el de diesel, inventado por Rudolf Diessel. En las figuras de abajo se muestran sus respectivas figuras y sus respectivos ciclos.
Tiempos del ciclo
Primer tiempo o admisión: En esta fase el émbolo se mueve hacia abajo, absorbiendo una mezcla de combustible y aire que procede del carburador.
Segundo tiempo o compresión: El émbolo se desplaza hacia la parte alta del cilindro. La válvula de admisión se ha cerrado y la mezcla de aire y combustible ya no puede escapar. Al subir el émbolo, la mezcla carburante lo comprime fuertemente en la cámara de combustión, lo cual se denomina índice de compresión.
Tercer tiempo o explosión: La chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía se encarga de encender e inflamar la mezcla, produciéndose así una violenta dilatación de los gases encargados de empujar el émbolo hacia abajo, y al arrastrar al cigëñal realiza trabajo mecánico.
Cuarto tiempo o escape: El émbolo se eleva de nuevo en el interior del cilindro, abriéndose la válvula de escape, la cual se encuentra en la parte alta de éste. El movimiento de elevación del émbolo expulsa los gases quemados por medio de la lumbrera de escape. Cuando llega el final de la carrera, la válvula se cierra y el motor inicia nuevamente su ciclo. La apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la chispa en la cámara de combustión se obtienen a través de mecanismos sincronizados con el cigüeñal.
Motores de reacción.
Los motores de reacción se basan en el principio de “acción y reacción”. Existen dos tipos principales de motores a reacción: los turborreactores y los cohetes.
Los turborreactores constan de un generador de gases muy calientes y de una tobera que los expele hacia atrás en forma de chorro (acción), así impulsa al motor y al móvil en el cual se encuentra instalado hacia adelante (reacción).
El motor de cohete no necesita del aire atmosférico para funcionar, pues contiene en su interior las sustancias químicas para la combustión. Los gases calientes producidos en la cámara de combustión son expelidos con gran fuerza hacia atrás (acción), de esta manera impulsan a la nave hacia adelante (reacción).
Con fines teóricos, una máquina de calor es sencillamente un dispositivo que toma calor de una fuente de elevada temperatura (depósito alto), convierte parte de él en trabajo útil y transfiere el resto al ambiente circundante (depósito de baja temperatura).
El trabajo realizado por la máquina de calor es:
W = Qe – QS
Eficiencia de una máquina térmica.
La eficiencia “ε” de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo útil realizado por la máquina y el calor absorbido por ella del depósito alto (calor de entrada) por cada ciclo.
Como siempre existirá una cantidad de calor que no se puede aprovechar para convertirla en trabajo, la eficiencia de una máquina térmica será menor que uno.
La eficiencia de una máquina térmica se puede calcular en función de la relación que hay entre la temperatura de la fuente caliente (Qe) y la temperatura de la fuente fría (QS), ambas medidas en temperaturas absolutas (Kelvin):
También se puede calcular la eficiencia de una máquina térmica al dividir la potencia útil o de salida de la máquina entre la potencia total o de entrada de la misma, es decir:
Ciclo de Carnot.
¿Cuál es la eficiencia máxima de una máquina térmica? Los diseñadores de máquinas térmicas tratan de hacerlas lo más eficientes posibles, pero debe haber un límite teórico para la máxima eficiencia y ésta debe estar por debajo del 100 % para no violar la segunda ley de la termodinámica es decir, una máquina por muy eficiente que sea no es capaz de convertir todo el calor absorbido en trabajo útil.
Este problema fue resuelto por Sadi Carnot, considerando que una máquina térmica absorbe calor de un depósito a temperatura constante alta, Tc, (Temperatura caliente) y lo expulsa hacia un depósito a temperatura constante baja, Tf, (Temperatura fría). Idealmente, éstos son procesos isotérmicos reversibles y se pueden representar por dos líneas isotermas en un diagrama P vs V, pero ¿cuáles son los procesos que completan el ciclo y lo hacen más eficiente? Carnot demostró que estos procesos son adiabáticos reversibles y están representados por dos líneas adiabáticas en el diagrama P vs V. Carnot demuestra así, que no puede concebirse una máquina térmica más eficiente, operando entre dos temperaturas dadas, que la suya.
El ciclo de Carnot consta de dos curvas isotermas y dos curvas adiabáticas, como se muestra en el diagrama de abajo. El área bajo la isoterma A-B es el calor agregado al sistema desde el depósito de alta temperatura y el área bajo la isoterma D-A es el calor expulsado del sistema hacia el medio. La diferencia entre estos calores es el trabajo de salida y es igual al área del rectángulo entre las líneas de proceso.
Ciclo de Carnot para una máquina térmica ideal.
La eficiencia en el Ciclo de Carnot es:
La eficiencia de Carnot expresa el límite superior teórico de la eficiencia termodinámica para un motor de calor cíclico, eficiencia que no puede ser alcanzada debido a que los procesos isotérmicos reversibles necesarios no se pueden lograr durante el proceso de transferencia de calor en un motor verdadero. De acuerdo con la relación ε = 1 – Tf/Tc, entre mayor sea la diferencia entre las temperaturas, mayor será la eficiencia del motor.
Para finalizar la clase, te solicito estudies el siguiente video:
Conclusión
En esta clase digital hemos aprendido que una máquina térmica es un aparato que se utiliza para transformar la energía calorífica en trabajo mecánico, su funcionamiento básico consiste en la dilatación de un gas caliente que después de realizar un trabajo se enfría. Además, la eficiencia de una máquina térmica jamás será del 100%, pues de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica, es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.
Agradezco mucho tu compromiso y esfuerzo que has tenido en esta UDA de Física II, espero que lo aprendido te permita tener un mejor panorama sobre la importancia de la Física en nuestra vida.