Transformación Energética en Centrales Térmicas: Principios del Ciclo de Carnot

Introducción a las Centrales Térmicas y la Transformación Energética

El objetivo principal de las centrales térmicas es aprovechar la energía de un combustible para transformarla en electricidad. El flujo de dicha energía se puede describir de la siguiente manera:

• Se parte de la energía química de un combustible.
• Se pasa a la energía térmica por medio de la combustión del mismo (por ejemplo).
• Dicha energía térmica se transforma en energía mecánica gracias a una máquina térmica.
• Finalmente, se transforma la energía mecánica en energía eléctrica en un generador.

Una vez que se tiene la energía eléctrica, se transfiere al sistema eléctrico por medio de las redes de transporte oportunas.

Principios Termodinámicos en la Generación Eléctrica

Las centrales térmicas utilizan, como se ha mencionado, la energía mecánica obtenida por medio de un ciclo termodinámico (máquina térmica) para la producción de energía eléctrica. La idea principal de este tipo de ciclos es la de construir una máquina térmica que funcione basándose en un ciclo similar al de Carnot.

El Ciclo de Carnot: Fundamentos y Transformaciones Ideales

En el ciclo de Carnot, se utiliza un gas perfecto, el cual se somete a cuatro transformaciones diferentes:

1. Primero, se comprime de manera isentrópica (sin variar la entropía).
2. Posteriormente, se aumenta su entropía de manera isotérmica (sin variar la temperatura).
3. Para finalmente expandirlo de manera isentrópica.
4. Y disminuir su entropía hasta el valor inicial de forma isotérmica, cerrando así el ciclo de trabajo.

En este ciclo, al tratarse de un gas perfecto en un ciclo ideal, se supone que todos los procesos son reversibles.

La Máquina de Carnot y los Focos Térmicos

La máquina de Carnot sería una máquina térmica que funcionase entre dos focos térmicos a diferente temperatura: uno frío (Tf) y otro caliente (Tc). Las transformaciones del ciclo implicarían:

• La compresión del gas isentrópicamente para pasarlo de la temperatura del foco frío (Tf) a la temperatura del foco caliente (Tc).
• Una vez que el gas estuviera a esa temperatura, continuaría su compresión, sin variar su temperatura.
• Al finalizar esta transformación, el gas se sometería nuevamente a un cambio de temperatura mediante una expansión isentrópica, desde el foco caliente al frío.
• El ciclo finalizaría con la expansión completa del gas, sin variación de temperatura.

Limitaciones y Relevancia del Ciclo de Carnot

Está demostrado que la máquina de Carnot no se puede construir, debido principalmente a la hipótesis de partida de trabajar con un gas perfecto donde las transformaciones a las que se someten son reversibles. Con los fluidos reales de trabajo, las transformaciones isentrópicas son inviables, ya que las transformaciones no son reversibles.

Sin embargo, es muy típico en termodinámica usar el ciclo de Carnot como ciclo de referencia. Además, el ciclo de Carnot nos proporciona el rendimiento máximo del ciclo termodinámico en función de las temperaturas de los focos frío y caliente.

Rendimiento del Ciclo de Carnot

El rendimiento del ciclo de Carnot está definido según la siguiente ecuación:

[Nota del editor: La ecuación no fue proporcionada en el texto original.]