Máquinas térmicas y ciclos termodinámicos: ciclo de Carnot, caldera y rendimiento térmico

Máquina térmica: definición

Se entiende por máquina térmica un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido (todas trabajan con fluidos) que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina.

Ciclo termodinámico: definición

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al término de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial.

Ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot

Un fluido se encuentra en el punto A; es decir, sus parámetros son P_A, T_A, V_A. A través de una evolución pasa al punto B, con parámetros P_B, T_B, V_B, y por medio de las soluciones (trayectorias) B→C, C→D y D→A vuelve a su estado inicial.

Al observar el ciclo se ve cómo el fluido va del punto A a B y del B a C donde se expande; a partir del punto C comienza a comprimirse volviendo a su estado inicial, pasando por D y llegando otra vez a A.

Todo fluido que efectúa un ciclo entrega como trabajo útil el área encerrada por el mismo cuando el ciclo es recorrido en sentido horario.

Ciclo de caldera

Ciclo de caldera:

En la figura 1 el ciclo es completo dentro de la máquina: el fluido es inyectado en estado líquido dentro de la caldera por la bomba de agua, se vaporiza, pasa por el motor donde efectúa trabajo y va al condensador, donde se vuelve a estado líquido.

Descripción de la evolución (figura 2)

1. 1→2: evolución isobárica — entrada de vapor (presión constante).
2. 2→3: evolución adiabática — expansión del vapor.
3. 3→4: condensación del vapor — evolución isócora (volumen constante).
4. 4→1: inyección en la caldera (retorno al estado inicial).

Rendimiento térmico

Fórmula del rendimiento térmico: n_t = trabajo útil obtenido / energía entregada.

En términos de calor absorbido y cedido:

n_t = (Q₁ - Q₂) / Q₁

O equivalentemente:

n_t = 1 - Q₂ / Q₁

n_t nunca es el 100% porque siempre es menor que 1, es decir, nunca llega al 100%.

Enunciado de Carnot

Enunciado de Carnot: Una máquina térmica no puede producir trabajo si no existen al menos dos fuentes de calor a distintas temperaturas, y la cantidad de calor que se cede a una de las fuentes no puede ser nunca a la fuente más caliente.

Definición de fuente de calor

Fuente de calor: un cuerpo, aire o líquido del cual se recoge o al que se cede calor.

Resumen

• Las máquinas térmicas transforman energía térmica en trabajo a través de procesos en un fluido.
• Un ciclo termodinámico devuelve el sistema a su estado inicial tras una serie de procesos.
• El rendimiento térmico depende de las cantidades de calor absorbido y cedido y nunca alcanza el 100%.
• El enunciado de Carnot establece la necesidad de al menos dos fuentes de calor a distintas temperaturas para que exista producción de trabajo.

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