Principios Fundamentales de la Termodinámica: Máquinas Térmicas y el Ciclo Otto

El Primer Principio de la Termodinámica

El Primer Principio consta de tres parámetros fundamentales: volumen, presión y temperatura. Cuando se trata de un gas, su estado se puede determinar por cualquier combinación de estos (P y T; V y T; P y V).

La cantidad de calor (Q) que se comunica al sistema se gasta en aumentar su energía interna (U) y en el trabajo (W) que realizan las fuerzas de dicho sistema aplicadas a cuerpos exteriores.

Transformaciones y Ciclos Termodinámicos

Una cantidad de gas puede pasar de un estado a otro, y de este a otro, así sucesivamente. A esta sucesión se le llama transformación. Cuando el último estado es igual al primero, se lo denomina ciclo.

Los estados se definen por tres parámetros: presión, volumen y temperatura. Si una de las tres variables se mantiene constante, las otras dependen una de la otra.

• Ejemplo: P · V = constante, si T = constante (Ley de Boyle-Mariotte).

Físicamente, el gas pasará por varios estados que tienen la misma temperatura. La ecuación permite representar gráficamente una transformación.

Máquina Térmica y Rendimiento

Se denomina Máquina Térmica a aquella que, al recibir una cierta cantidad de calor (Q₁), realiza un trabajo (W).

No todo el calor Q₁ comunicado durante la transformación se convierte en trabajo, sino que una parte (Q₂) vuelve a cederse al exterior.

Cálculo del Rendimiento Térmico (ηₜ)

Para determinar la calidad económica de la máquina en lo que se refiere al aprovechamiento de la energía, se utiliza el rendimiento térmico (ηₜ):

ηₜ = W / Q₁ = (Q₁ - Q₂) / Q₁

Mientras más se aproxima ηₜ a la unidad, más ventajoso es el motor. Si ηₜ fuera igual a 1, el motor no necesitaría un foco caliente y otro frío, sino que trabajaría a expensas del enfriamiento de un cuerpo del exterior. A este concepto se lo denomina móvil perpetuo de segunda especie. Este motor aún no ha sido creado.

Descripción del Ciclo Otto

El Ciclo Otto describe el funcionamiento de un motor de combustión interna de cuatro tiempos:

1. Primera Carrera del Émbolo (Admisión)

   De izquierda a derecha (0-1). Durante esta fase, el combustible es aspirado y entra por la válvula 'a'. La temperatura es atmosférica (T₀). El volumen aumenta de V₂ a V₁.

2. Segunda Carrera (Compresión)

   (1-2). El émbolo comprime la mezcla. La presión y la temperatura aumentan. El sistema recibe trabajo desde el exterior.

3. Tercer Tiempo (Expansión/Explosión)

   En el estado 2, se provoca la explosión de la mezcla comprimida por una chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía. Al comenzar, se produce un aumento instantáneo de la presión hasta P₃ sin que varíe el volumen (V₂). La temperatura aumenta (T₃) a expensas del calor producido por la explosión. A continuación, el émbolo se desplaza hacia la derecha (3-4), con lo que el volumen aumenta de V₂ a V₁. La temperatura desciende de T₃ a T₄.

4. Cuarto Tiempo (Escape)

   El émbolo se desplaza hacia el Punto Muerto Superior (PMS). Los gases quemados son empujados, expulsándolos a través de la válvula de escape 'b'.