Termodinámica

Las máquinas térmicas son sistemas termodinámicos que intercambian calor y trabajo con el medio externo. Algunas de ellas, como los motores de automóviles, reciben calor de una fuente caliente y una parte de este calor es convertida en trabajo mecánico.

Por otra parte, los refrigeradores retiran calor de una fuente fría (congelador) y a costas de un trabajo mecánico realizado por el compresor, lo transfieren hacia el medio externo.

En ese estudio, vamos a analizar las leyes que rigen esas conversiones y del funcionamiento de esas máquinas. Comenzaremos con la idea de trabajo en sistemas termodinámicos.

Trabajo en Termodinámica

Consideremos un gas contenido en un cilindro, provisto de un émbolo o pistón.

Al expandirse, el gas ejerce una fuerza en el émbolo que se traslada en sentido de la fuerza. Observemos que el trabajo realizado por el gas trasladando el émbolo, hace que el volumen del gas aumente, siendo así el trabajo considerado “positivo”.

Al ser comprimido, el gas sufre la acción de una fuerza ejercida por el émbolo. Observe que el trabajo realizado sobre el gas, hace que su volumen disminuya, siendo así el trabajo será considerado “negativo”.

El trabajo realizado por el gas o sobre el gas será calculado a través de la siguiente expresión:

t ( tau ) … Medida en Joules por el S.I. o Calorías

P … Presión del gas, medida en N/m² ( S.I )

V … Volumen final del gas, medido en m³ ( S.I )

Vo … Volumen inicial del gas, medido en m³ ( S.I )

Atención en las siguientes Unidades:

Energía Interna de un gas

La energía interna de un gas perfecto es la suma de las energías cinéticas medias de todas sus moléculas. Y este energía está directamente asociada a su temperatura.

Cuando un sistema (gas) recibe una determinada cantidad de calor Q, sufre un aumento ΔU de su energía interna y consecuentemente un aumento de temperatura Δt.

Entonces

Primer Principio de la Termodinámica

De acuerdo con el Principio de Conservación de la Energía, ésta no puede ser creada ni destruida, solamente podemos transformarla de una especie a otra. El primer principio de la Termodinámica establece una equivalencia entre el trabajo y el calor, intercambiados entre un sistema y el exterior del mismo.

Balance Energético

Para aplicar el primer principio, que involucra las magnitudes calor, trabajo y energía cinética, es necesario realizar un balance energético, esto es, saber cuando esas magnitudes asumen valores positivos, negativos o nulos.

Tenemos las siguientes posibilidades

Transformación Cíclica

Transformación Cíclica o ciclo de un sistema es el conjunto de transformaciones sufridas por el sistema de tal forma que sus estados final e inicial son iguales.

Como la temperatura final es igual a la temperatura inicial, la energía interna del sistema no varía (ΔU = 0), existiendo una igualdad entre el calor y el trabajo intercambiados en cada ciclo.

En un diagrama P x V, una transformación cíclica es representada por una curva cerrada. El área interna del ciclo es numéricamente igual al trabajo total intercambiado con el medio exterior.

Segundo principio de la termodinámica

El segundo principio de la Termodinámica establece las condiciones en que es posible la transformación de calor en trabajo, completando de esta forma, el primer principio que trata apenas de la equivalencia entre el calor y el trabajo.

La conversión de calor en energía mecánica es lograda por medio de una máquina térmica. Como ejemplo de máquina térmica podemos citar las turbinas a vapor, las turbinas a querosene que impulsan aviones a chorro, los motores de explosión que queman gasolina, alcohol o diesel, e inclusive un reactor termonuclear de una usina atómica.

Q₁ = Cantidad de Calor (energía) que sale de la fuente caliente

Q₂ = Cantidad de calor (energía) que sale de la máquina térmica hacia la fuente fría.

t = Cantidad de calor (energía) que sale de la máquina térmica convertida en trabajo.

Rendimiento de una máquina Térmica (h)

El rendimiento de una máquina térmica (h) es definido como la razón entre el trabajo que de ella puede ser aprovechado y la cantidad de calor recibido de la fuente caliente.

Como no todo el calor retirado de la fuente caliente es transformado en trabajo, el rendimiento de una máquina térmica nunca puede ser del 100% (h=1)

Entonces es de allí que surge el enunciado de Kelvin y Plank para el Segundo Principio de la Termodinámica.

Es imposible elaborar una máquina térmica que operando en base a ciclos, transforme totalmente en trabajo, el absoluto del calor recibido de una fuente”