La termodinámica basa todo su desarrollo en tres principios. Estos principios se toman como ciertos aunque no pueden ser demostrados, se aceptan ya que no se ha encontado ningún proceso termodinámico que no los cumpla.
Tema 7: Máquinas Térmicas
3. Principios de la termodinámica
Principio cero de la Termodinámica
La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico, fue formulado por primera vez por Ralph H. Fowler y expresa:
Existe una determinada propiedad denominada temperatura, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.
El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley es de gran importancia porque permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. Otra lectura de este principio sería la siguiente:
- Si ponemos en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.
Primer principio de la Termodinámica
En toda transformación termodinámica el incremento de energía interna del sistema es igual al calor suministrado menos el trabajo realizado por el mismo.
O dicho de otra forma es que no todo el calor aportado a un sistema se emplea en producir trabajo, parte se utiliza en aumentar la energía interna de las partículas que lo constituyen. Recuerda que la energía interna de un sistema termodinámico no la podemos conocer, lo que si podemos conocer con este principio es su variación.
Este primer principio de la termodinámica es una lectura del Principio de Conservación de la Energía aplicado a las máquinas térmicas: "La energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma". Para un sistema podemos decir:
Σ Energías entrantes = Σ Energías salientes
Segundo principio de la Termodinámica
La transformación integra en un proceso termodinámico de calor en trabajo o viceversa es imposible.
Es decir es imposible construir un dispositivo que en que todo el trabajo se transforme en calor extraído o comunicado, siempre habrá una parte que se pierda.
Máquina térmica
Basándonos en los principios de la termodinámica, una máquina térmica, es un sistema que trabaja entre dos focos a distinta temperatura, foco caliente y foco frío. Transformando calor en trabajo. Vamos a distinguir dos tipos de máquinas térmicas:
- motor térmico
- máquina frigorífica / bomba de calor.
Motor térmico
Motor térmico:
Máquina cíclica que recibe calor Qc de un foco caliente a TC. Parte de ese calor es transformada en trabajo W mientras que el resto del calor QF, se cede a un foco frío a una temperatura menor TF.
Es decir, un motor térmico es una máquina que toma calor y lo transforma en trabajo útil. Sin embargo, y según dice el segundo principio de la termodinámica, no es posible realizar una conversión integra de calor en trabajo. Esa energía no transformada en trabajo se cede en forma de calor a un foco frío.
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Puesto que el proceso es cíclico, no hay incremento de energía interna. Por lo tanto:
Como ya hemos dicho anteriormente, según el 2º principio de la termodinámica, QF nunca puede ser cero. Por lo tanto:
Siendo el rendimiento del proceso:
Es decir el rendimiento de este tipo de máquina siempre será menor a la unidad.
Máquina Frigorífica
Máquina frigorífica
En este tipo de sistemas se realiza un trabajo W sobre la máquina. Gracias a ese trabajo se consigue extraer un calor QF de un foco frío a una temperatura TF.
La conversión no puede ser completa por lo que además se cede un calor QC a un foco caliente a TC mayor que TF.
La imposibilidad de transformar íntegramente el trabajo en calor extraído es una consecuencia directa del segundo principio de termodinámica.
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Al igual que ocurría en el caso del motor, se trata de un proceso cíclico, por lo tanto no hay incremento de energía interna:
Como ya hemos dicho anteriormente, según el 2º principio de la termodinámica, Q1 nunca puede ser cero. Por lo tanto:
Al ser W>0, necesariamente el calor cedido al foco caliente es mayor que el calor extraído del foco frío.
Para determinar el rendimiento de una máquina frigorífica se utiliza alguno de los siguientes nombres, pero con el mismo significado:
- eficiencia o coeficiente de operación frigorífico (COP) o coeficiente de ampliación frigorífica.
Este parámetro se obtiene como cociente entre el calor extraído del foco frío (la "energía útil" de esta máquina) y el trabajo consumido (la "energía absorbida" de esta máquina) para conseguirlo.
Sustituyendo:
La eficiencia térmica en una máquina frigorífica es un concepto equiparable al del rendimiento en un motor térmico, pero con la salvedad de que la eficiencia puede ser mayor que uno y el rendimiento nunca puede ser mayor que uno.
Comprueba lo aprendido
Determinar: a) Eficiencia que presenta la máquina. b) Calor liberado cedido durante cada ciclo.
Una máquina térmica que presenta
una eficiencia del 30%, realiza un trabajo de 200 J. durante cada ciclo.
Determina:
a) ¿Que cantidad de calor absorbe durante el ciclo?
b) ¿Qué cantidad de calor libera?
Una máquina térmica de 5 Kw de potencia, con una eficiencia del 25%, se sabe que cede 8 KJ de calor durante cada ciclo.
Determina:
a) Calor que absorbe durante cada ciclo.
b) Tiempo que dura cada ciclo.
Una máquina térmica absorbe del foco caliente 1500 J, y cede al foco frío 800J.
Determina:
a) Eficiencia de la máquina.
b) Trabajo producido durante un ciclo.
c) Potencia de la máquina térmica, si la duración de cada ciclo es de 0,2s.