Principios de Funcionamiento: Motores, Máquinas Térmicas y Termodinámica

Motor a Reacción

Un motor a reacción es una máquina que produce empuje realizando una serie de transformaciones termodinámicas a un fluido (aire). Se basa en el principio de que a toda acción corresponde una reacción igual y de sentido contrario.

Componentes Principales:

• Compresor: Aspira aire y lo comprime.
• Cámara de combustión: Una vez que el aire ha pasado por el compresor, se eleva su temperatura, se inyecta combustible y se quema.
• Turbina: El aire caliente atraviesa la turbina, haciéndola girar. La turbina está conectada mediante un eje al compresor y, en algunos casos, a un generador eléctrico. Al girar, mueve el compresor y puede generar electricidad.
• Tobera: Los gases de escape se expanden en la tobera, adquiriendo gran velocidad al salir a la atmósfera, lo que genera el empuje.

Motor Eléctrico

El funcionamiento del motor eléctrico se basa en la repulsión de polos magnéticos de un imán permanente cuando interactúan con los polos magnéticos de un electroimán (rotor). Su eje gira entre los polos magnéticos norte (N) y sur (S).

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina del electroimán giratorio, el campo electromagnético generado interactúa con el campo magnético del imán permanente, provocando el giro. Se utiliza en aplicaciones como ventiladores y taladros.

Máquina Frigorífica

Una máquina frigorífica es un dispositivo que transfiere energía térmica en forma de calor entre dos o más focos a diferentes temperaturas.

Acumuladores (Baterías)

Los acumuladores constan de una o más celdas electroquímicas que utilizan la energía química almacenada para transformarla en energía eléctrica.

Funcionamiento:

Se basa en un proceso químico reversible de reducción-oxidación (redox). En toda reacción redox, uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.

• Un componente se oxida (pierde electrones).
• El otro componente se reduce (gana electrones).

Leyes de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica (Conservación de la Energía)

Establece que cuando una sustancia gana o entrega calor, gana o entrega la misma cantidad de energía. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Conceptos Clave:

• Sistema: Un grupo bien definido de átomos, moléculas u objetos que gana o pierde una cantidad de energía. Es importante definir qué está dentro y fuera del sistema (el entorno o medioambiente).
• Adición de calor: Puede lograr dos cosas:
  1. Aumentar la energía interna del sistema (si el calor se queda en el sistema).
  2. Efectuar trabajo sobre el entorno (si la energía sale del sistema en forma de trabajo).
• Balance energético: El calor agregado al sistema es igual al aumento de su energía interna más el trabajo externo efectuado por el sistema.

Ejemplo: El calor suministrado por un quemador (medioambiente) a agua (sistema) es igual al cambio de la energía interna en el interior del líquido (agua) sumado al trabajo que el agua realiza cuando, al hervir, mueve una tapa contra el medio ambiente.

Es decir, el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación de la energía interna en el interior del sistema más el trabajo realizado por el sistema sobre el medio.

Convención de signos:

• Si el medio suministra calor sobre el sistema, el calor es positivo.
• Si el sistema cede calor al medio, el calor es negativo.
• Si el medio realiza trabajo sobre el sistema, el trabajo es negativo.
• Si el sistema realiza trabajo sobre el medio, el trabajo es positivo.

Segunda Ley de la Termodinámica

Establece que el calor nunca fluye espontáneamente de un objeto frío a uno más caliente. Introduce la dirección de los procesos termodinámicos.

Máquina Térmica

Una máquina térmica es todo dispositivo que transforma energía interna (calor) en trabajo mecánico.

Funcionamiento Básico:

1. Gana calor de un reservorio a alta temperatura, aumentando su energía interna.
2. Convierte parte de esta energía en trabajo mecánico efectuado.
3. Expulsa la energía restante como calor a algún reservorio a menor temperatura.

Relación con la Segunda Ley:

Cuando una máquina térmica efectúa trabajo al funcionar entre dos temperaturas (una caliente y una fría), solo una parte del calor que entra a la temperatura caliente se puede convertir en trabajo útil. El resto debe ser expulsado necesariamente como calor a la temperatura fría. Es imposible convertir todo el calor en trabajo.

Entropía

La entropía es una medida del desorden de un sistema.

• Si un sistema, al evolucionar espontáneamente, se desorganiza, su entropía aumenta.
• Si se organiza (lo cual no ocurre espontáneamente en un sistema aislado), su entropía disminuye.

La Segunda Ley también implica que la entropía total del universo (o de un sistema aislado) siempre tiende a aumentar o, en el mejor de los casos (procesos reversibles ideales), permanece constante. El nivel de organización tiende a disminuir debido a la degradación de la energía.

El orden tiende al desorden de forma natural. Si un sistema se organiza (disminuye su entropía), es porque el medioambiente se desorganiza en mayor medida (aumenta su entropía), resultando en un aumento neto de la entropía total. Para volver a ordenar un sistema (disminuir su entropía), se necesita invertir trabajo externo (energía).