Máquina Térmicas. Funcionamiento del motor y el refrigerador y eficiencia

 Funcionamiento de las máquinas térmicas

Representación esquemática de una máquina térmica. 

Imagen 1. Esquema de la máquina térmica.

La máquina absorbe energía térmica Qc de un depósito caliente, libera la energía térmica Qf al depósito frío y efectúa un trabajo W. Una máquina térmica lleva a cierta sustancia de trabajo a través de un proceso de un ciclo durante el cual la energía térmica se absorbe de una fuente a alta temperatura, la máquina realiza trabajo y la máquina expulsa energía térmica a una fuente de menor temperatura.

A partir de la primera ley de la termodinámica vemos que el trabajo neto W hecho por la máquina térmica es igual al calor neto que fluye hacia ella. Como se muestra en la siguiente ecuación:

 

El trabajo

Por consiguiente Kelvin-Planck de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica establece que:

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía térmica de un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

En un diagrama PV para un proceso cíclico arbitrario muestra que el trabajo neto, es el área encerrada por la curva.

Imagen 2. Ciclo de una máquina térmica.

Motor de gasolina

El motor de gasolina El motor de gasolinas puede describirse mediante el ciclo Otto

Imagen 3. Motor de gasolina.

Durante la carrera de admisión O-A, se introduce aire al cilindro a presión atmosférica y el volumen aumenta de V2 a V1. En el proceso A-B (carrera de compresión), la mezcla de aire y combustible se comprime adiabáticamente del volumen V1 a V2, y la temperatura aumenta de TA a TB. El trabajo realizado por el gas es el área bajo la curva AB. En el proceso B-C, la combustión ocurre y se añade la energía térmica Qc al gas. Esto no es una entrada de energía térmica, sino más bien una liberación de energía térmica del proceso de combustión. Durante este tiempo la presión y la temperatura aumenta rápidamente, aunque el volumen permanece constante. No se efectúa trabajo sobre el gas. 
En el proceso C-D (carrera de potencia), el gas se expande adiabáticamente de lo que origina que la temperatura descienda de TC a TD. El trabajo realizado por el gas es el área bajo la curva C-D. En el proceso D-A se extrae la energía térmica Qf del gas a medida que su presión disminuye a volumen constante al abrir una válvula de escape. No se hace trabajo durante este proceso. En el proceso final de la carrera de escape A-O, los gases residuales se expulsan a presión atmosférica, y el volumen disminuye de V2 a V1. El mismo ciclo se repite después.

Imagen 4. Ciclo del motor de gasolina.

Motor de Diésel
En el motor Diésel se comprime aire con una razón de compresión mayor que en el motor Otto. El combustible es inyectado en el punto máximo de la compresión. Los procesos OA, A-B, D-A y A-O son iguales que en el ciclo Otto. El proceso B-C corresponde a una expansión isobárica cuando el combustible es inyectado y se enciende. En este proceso hay una entrada de calor Q-C. El proceso C-D es una expansión adiabática de los gases calientes.

Imagen 5. Ciclo del motor de diésel. 

Refrigerador
Es una máquina térmica que funciona inversamente. La máquina absorbe energía térmica Qfdel depósito frío, y entrega energía térmica Qcal depósito caliente, puede lograrse siempre y cuando se haga trabajo sobre el refrigerador. En consiguiente el científico Clausius afirma lo siguiente:
Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo y que no produzca ningún efecto más que transferir energía térmica continuamente de un objeto a otro de mayor temperatura.

Imagen 6. Esquema de un refrigerador.

Todo líquido que se evapore fácilmente a bajas temperaturas es un potencial refrigerante. Es posible evaporarlo y licuarlo alternadamente, haciéndolo circular a través de tubos en los que varíe la presión. En la mayoría de los refrigeradores domésticos, el refrigerante es uno de los compuestos conocidos como clorofluorocarbonos o freones. Los tubos del interior del refrigerador son de grueso calibre, por lo que dentro de ellos la presión es baja y el líquido que allí circula se evapora. Con ello se mantiene frío el tubo y se absorbe el calor de los alimentos. Un motor eléctrico succiona el gas frío de los tubos, lo comprime para que se caliente y lo manda al tubo serpentín de la parte trasera del refrigerador. El aire que circunda al serpentín absorbe el calor y hace que el gas vuelva a condensarse, todavía a muy alta presión. Después, un tubo de calibre muy angosto, llamado capilar, devuelve el líquido de alta presión a los tubos ensanchados del interior, el líquido se evapora de nuevo y el ciclo se repite.

Funcionamiento

Eficiencia
Es la relación entre el trabajo realizado y el calor suministrado a la máquina en cada ciclo. Su expresión viene dada por:

Donde:

Rendimiento o eficiencia térmica. Representa la parte de calor que la máquina aprovecha para realizar trabajo. su valor se da =1 y significa rendimiento al 100%.

W= trabajo realizado por la máquina. Su unidad de medida en el SI es: (J)

Calor. Representa el flujo de calor transferido entre la fuente y la máquina y la máquina y el sumidero respectivamente. Su unidad de medida en el SI es: (J) o (cal), donde 1 cal =4.184J

Eficiencia del ciclo de Otto

Eficiencia del ciclo Otto en el trabajo realizado.

       Los procesos BC y DA ocurren a volumen constante.

La eficiencia es: En AB

En CD. Sea V1 = VA = VD y V2 = VC= VB sustituyendo a las anteriores y simplificando se llega a donde V1/V2 es la razón de compresión.

Eficiencia del ciclo diésel

Eficiencia del ciclo diésel en el trabajo realizado.

Los procesos BC y DA ocurren a volume4n constante.

La eficiencia en AB.

La eficiencia en CD. Sea V1 = VA = VD y V2 = VB y V3 = VC= sustituyendo en la anteriores y simplificando se llega a Donde r = V1/V2 es la razón de compresión y rc = V3/V2 es la relación de corte de admisión definida como la relación de los volúmenes del cilindro después y antes del proceso de combustión.

Eficiencia de un refrigerador
El refrigerador trabaja de un modo muy similar a una bomba de calor; enfría su interior bombeando energía térmica desde los compartimientos de almacenamiento de los alimentos hacia el exterior más caliente. Durante su operación, un refrigerador elimina una cantidad de energía térmica Qf del interior del refrigerador, y en el proceso (igual que la bomba de calor) su motor realiza trabajo W. El coeficiente de realización de un refrigerador o de una bomba de calor se define en términos de Qf: CDR (refrigerador) En este caso, el coeficiente de realización más alto posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa. 

Bibliografía

Fernández. J. L. (2013). Eficiencia Térmica. Fisicalab. Recuperado de https://www.fisicalab.com/apartado/segundo-principio-termo

Turmero. P. (2013). Máquinas Térmicas y segunda ley de la termodinámica. Monografías.com. Recuperado de https://www.monografias.com/trabajos104/maquinas-termicas-y-segunda-ley-termodinamica/maquinas-termicas-y-segunda-ley-termodinamica.shtml