Unidad 3. Actividad 1. ¡Otra vez la máquina!

Desarrollo.

¿Qué es una máquina térmica?

Es un dispositivo que tiene por objetivo el convertir el calor en trabajo. Para esto utiliza de una sustancia de trabajo ya sea este vapor, aire o gasolina, realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina funciones de forma continua. Por medio de estas transformaciones la sustancia absorbe el calor (generalmente de un foco térmico) y este se transforma en trabajo.

Por ello el segundo principio de la termodinámica se desarrolló motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. Debido a esto se llega al primer enunciado del segundo principio de la termodinámica, el cual fue desarrollado por Thomson Kelvin y Max Planck:

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

Dicho 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, esto quiere decir que una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos. Para poder entender de una manera más sencilla podemos ver el siguiente esquema.

Dicho de otra manera:

·         Se absorbe una cantidad de calor  de un foco caliente a una temperatura

·         Este produce una cantidad de trabajo W

·         Cediendo una cantidad de calor  a un foco frío a un temperatura  (Martin Blas & Serrano Fernandez)

Proceso reversible y proceso irreversible.

Formalmente se dice que un proceso termodinámico es reversible si se puede invertir de modo que el proceso cíclico resultante, tanto para el sistema como para el entorno no viole el segundo principio de la termodinámica. Por tanto, un proceso irreversible no es reversible. Hablando de modo más práctico podemos decir que para que un proceso termodinámico cumpla con los requisitos para ser reversible de be cumplir al menos las siguientes condiciones:

1.      No debe haber transformaciones de energía mecánica en térmica por medio de fricciones o de otro tipo de fuerzas disipativas.

2.      Las transferencias de energía como el calor solo pueden suceder cuando las diferencias de temperatura entre los objetos que son infinitesimalmente pequeñas.

3.      El proceso debe ser cuasiestático, de modo que el sistema siempre se encuentre en un estado de equilibrio termodinámico.

Cabe aclarar que cualquier proceso real en la naturaleza es irreversible y que realmente los procesos irreversibles son idealizaciones, dado que en la realidad se pueden conseguir aproximadamente, pero nunca de forma completa. (Medina Dominguez & Ovejero Sanchez, 2010)

Diagrama de proceso reversible.

El diseño de un proceso reversible ideal fue creado por el ingeniero francés Sadi Carnot y se le denomina hoy ciclo de Carnot, el cual es realizado por un sistema hidrostático en contacto con dos fuentes de calor.

En el siguiente diagrama explicaremos los procesos reversibles.

1.      Proceso isotérmico reversible, cuando la temperatura del foco caliente  en el que el sistema absorbe un calor .

2.      Proceso adiabático reversible, hasta que el sistema alcanza la temperatura de la fuente fría, .

3.      Proceso isotermo reversible, en el que el sistema está en contacto con la fuente fría  y absorbe un calor .

4.      Proceso adiabático reversible, de modo que la temperatura del sistema aumente de  hasta , recuperando su estado inicial. (Medina Dominguez & Ovejero Sanchez, 2010)

¿De qué tipo son los procesos reversibles?

Hay cuatro transformaciones reversibles comunes, estas son las más habituales que pueden experimentar un gas ideal.

Transformación adiabática.

Está caracterizada porque la sustancia de trabajo no intercambia calor, es decir:

Esto cumple que entre dos estados 1 y 2 unidos por una transformación adiabática reversible la entropía no varía; por tanto, estas transformaciones se denominan también isentrópicas.

Transformación isoterma.

Teniendo en cuenta que la temperatura es constante podemos sacarla fuera de la integral en el cálculo de la variación de entropía:

Está expresión es usada para calcular la variación de entropía de un foco térmico.

Transformación isocora.

Es aquella en que el volumen permanece contante, se representa con la siguiente fórmula:

Transformación isobara.

Para realizar este procedimiento se sigue el procedimiento análogo al anterior, solo que tiene por diferencia la capacidad calorífica para esta transformación es la capacidad calórica a presión constante de un gas ideal:

Como se ve en las dos últimas transformaciones un aumento de temperatura conlleva un aumento de entropía. (Martin Blas & Serrano Fernandez, Aplicaciones a procesos reversibles de un gas ideal)

Esquema de una máquina térmica.

Problema 1.

Una máquina térmica opera entre 127°C y 27°C. Calcule la máxima eficiencia que puede alcanzar. ¿cuánto calor debe tomar a 127°C y qué trabajo produce, si su eficiencia solo alcanza el 15%? Suponga que Q₁=100 cal.

Problema 2.

Una máquina térmica ideal que funciona según el ciclo de Carnot realiza un trabajo igual a 7.5x10⁴J. La temperatura de la fuente caliente es de 100°C y la de la fuente fría es de 0°C. Calcule:

a.      La eficiencia de la máquina

b.      La cantidad de calor que la máquina recibe de la fuente caliente

c.      La cantidad de calor que cede la fuente fría.

Datos:	Fórmula:

Problema 3.

Una máquina frigorífica ideal opera según el ciclo de Carnot, realizando un trabajo de 4x10⁴J. Durante su funcionamiento toma calor de una fuente cuya temperatura es de -10°C y lo cede a otra fuente cuya temperatura es de 15°C. Calcule:

a.      La cantidad de calor que se toma de la fuente fría en calorías

b.      La cantidad de calor que se cede a la fuente caliente en calorías.

Datos:

Problema 4.

Una máquina térmica ideal funciona según el ciclo de Carnot. Determine la eficiencia del ciclo de esta máquina, sabiendo que el trabajo que se realiza durante él es igual a 3000 J y el calor que se cede a la fuente fría es igual a 3.2 Kcal.

Datos:	Fórmula:

Conclusiones.

Está actividad nos permitió obtener un conocimiento sobre la segunda ley de la termodinámica en donde se establece que ninguna máquina es 100% irreversible y tampoco tiene una eficacia del 100%. También nos permitió adquirir el conocimiento de que no existe una máquina irreversible en la naturaleza y que solo son idealizaciones de procesos reales, esto quiere decir que todos los procesos que existen en la naturaleza son irreversibles.

Los procesos reversibles son se encuentran en la industria, en motores de autos, turbinas entre otros.

Referencias

Inzunza, J. (2007). Universidad de Concepción. Recuperado el 12 de noviembre de 2019, de Departamento de Geofísica: http://www2.udec.cl/~jinzunza/fisica/cap15.pdf

Martin Blas, T., & Serrano Fernandez, A. (s.f.). Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Recuperado el 11 de noviembre de 2019, de Termodinámica: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo2p/maquinas.html

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Medina Dominguez, A., & Ovejero Sanchez, J. (2010). Universidad de Salamanca. Recuperado el 11 de noviembre de 2019, de Departamento de Física Aplicada: http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/fisica-i/contenidos/temas_por_separado/8_ap_termo1011.pdf

Olmo, M., & Nave, R. (s.f.). Hyperphysics. Recuperado el 11 de noviembre de 2019, de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html

Recursos TIC. (s.f.). Recuperado el 11 de noviembre de 2019, de http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/2esobiologia/2quincena3/paginas/rendimiento.htm

Universidad de Sevilla. (1 de junio de 2009). Recuperado el 11 de noviembre de 2019, de Departamento de física aplicada III: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Diagrama_T-S