Máquinas Térmicas

Máquinas térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo.

El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma empírica, se llega así al primer enunciado del Segundo Principio:

Enunciado de Kelvin-Planck

"No es posible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo."

Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos. El esquema más sencillo de funcionamiento es entonces el siguiente:

1. Absorbe una cantidad de calor Q1 de un foco caliente a una temperatura T1

2. Produce una cantidad de trabajo W

3. Cede una cantidad de calor Q2 a un foco frío a una temperatura T2

Como la máquina debe trabajar en ciclos, la variación de energía interna es nula.

Aplicando el Primer Principio el trabajo producido se puede expresar:

En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)

Rendimiento (η)
El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno:

 

Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las máquinas más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.
Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:

Ejemplo de máquinas térmicas

 Máquina de vapor:

Fue la máquina térmica más utilizada hasta el siglo XX. La  energía obtenida al quemar el combustible (gas, petróleo, carbón...) se emplea en calentar agua hasta convertirla en vapor. Este vapor desplazaba el émbolo, realizando así un trabajo. Se utilizaban mucho en las locomotoras de vapor para el ferrocarril, pero en la actualidad ya no se usan tanto.

Turbinas de vapor:

Las turbinas de vapor  expulsan un chorro de vapor, calentando con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo mecánico de rotación. Se utiliza en las centrales termoeléctricas para mover los generadores eléctricos y en los barcos para accionar las hélices.

Motores de explosión: 

Se utilizan en los automóviles. Aprovechan la energía generada en la combustión de una mezcla de aire con gasolina para mover un pistón.  El trabajo mecánico del movimiento del pistón de aprovecha para el desplazamiento del vehículo.

Motor de reacción:

También llamad o turbina de gas. Es una máquina térmica de mayor potencia que el motor de explosión. Los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrás por una tobera impulsando el vehículo hacia delante. 

Se utilizan en aviación, para conseguir una mayor velocidad.

Equipo 10:
García Soto Alejandra
Lobos López Sara Lucía
López Baltierra Humberto
Sotelo Romero Flavio
Valenzuela Gallegos Itzel Elena

Grupo: 5BmEO
Profesor: Salvador Acosta Bordas