Para explicar los procesos termodinámicos irreversibles, los científicos formularon la segunda ley de la termodinámica. Esta ley explica qué procesos pueden ocurrir en el universo y cuáles no. Un científico llamado R.J.E. Clausius (1822-1888) hizo la siguiente afirmación:
Naturalmente, el calor se transfiere de los objetos de alta temperatura a los de baja temperatura; naturalmente, el calor no se transfiere de los objetos de baja temperatura a los de alta temperatura (Segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius).
El enunciado de Clausius es uno de los enunciados especiales de la segunda ley de la termodinámica. Se denomina así porque se aplica únicamente a un proceso: la transferencia de calor. Dado que este enunciado no se relaciona con otros procesos, necesitamos un enunciado más general. El desarrollo de un enunciado general de la segunda ley de la termodinámica se basa en el estudio de las máquinas térmicas. Por lo tanto, primero analizaremos el calor generado por las máquinas.
Motor térmico
Gran parte de la energía que utilizamos proviene de la energía potencial química contenida en el petróleo, el gas y el carbón. Para aprovechar directamente esta energía potencial química, primero debe quemarse. Generalmente, la combustión de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) produce calor. Este calor se puede utilizar directamente para cocinar alimentos o calentar una habitación. Para mover algo (como un vehículo), debemos convertir el calor en energía cinética o energía mecánica (energía mecánica = energía potencial + energía cinética).
En 1700 se descubrió una herramienta que utiliza el calor para realizar trabajo: la máquina de vapor. Esta se utilizó por primera vez para bombear agua de una mina de carbón.
El uso de las máquinas de vapor se debe a que el vapor tiene la capacidad de mover objetos. Estas máquinas incluyen un motor térmico (un dispositivo que convierte el calor en energía mecánica). Actualmente, el motor de vapor se utiliza para generar energía eléctrica. Los motores térmicos modernos son motores de combustión interna, como los de automóviles, motocicletas, etc.
La idea básica detrás del uso de las máquinas térmicas es que el calor se puede convertir en energía mecánica si se permite que fluya desde zonas de alta temperatura a zonas de baja temperatura. Durante este proceso, parte del calor se transforma en energía mecánica (parte se utiliza para realizar trabajo) y otra parte se disipa en zonas de baja temperatura. El proceso de transformación y transferencia de energía en una máquina térmica se representa en este diagrama.
Alta temperatura (TH) y baja temperatura (TL) se denominan temperatura de funcionamiento de la máquina. QH es el calor que fluye desde la alta temperatura, mientras que QL es calor fluyendo hacia el lugar de baja temperatura. Cuando fluye de altas temperaturas a bajas temperaturas, parte del calor se convierte en energía mecánica (utilizada para realizar trabajo), parte del calor se disipa como QLNo todo el calor se puede transformar en trabajo (W), siempre hay calor que se libera (QL). Por lo tanto, basándose en la conservación de la energía, QH = W + QL.
Existen varios tipos de máquinas térmicas, entre ellas las máquinas de vapor y los motores de combustión interna.
Máquina de vapor
Las máquinas de vapor utilizan vapor de agua como fluido de trabajo. Existen dos tipos de máquinas de vapor: las de vapor alternantes y las de turbina. Si bien su diseño es diferente, ambos tipos utilizan vapor calentado mediante la combustión de petróleo, gas, carbón o energía nuclear.
Motores de combustión interna
Los motores de motocicleta y de automóvil son ejemplos de motores de combustión interna. Se denominan así porque el proceso de combustión tiene lugar dentro de cilindros cerrados. La existencia de un motor de combustión interna es el resultado del concepto de ingeniería de compresión y expansión adiabática.
Eficiencia del motor térmico
La eficiencia del motor térmico (e) es una comparación entre el trabajo (W) realizado por la máquina con una entrada de calor a alta temperatura (QH).
W es la ganancia recibida, mientras que QH es el costo incurrido para comprar y quemar combustible. Como seres humanos que siempre queremos obtener el máximo beneficio y el menor gasto, esperamos que el aumento de beneficio (W) sea proporcional al costo que gastamos (QH). ¿Podría suceder?
Basándose en la conservación de la energía, el calor (QH) debe ser igual al trabajo (W) + calor descargado (QL).
Sustituya W en la ecuación 1 por W en la ecuación 2.
Esta es la ecuación de la eficiencia de una máquina térmica.
1 pregunta:
Un motor térmico absorbe 3000 julios (QH) calor, realiza trabajo (W) y elimina 2500 julios (QL) calor. Calcular la eficiencia térmica del motor.
Solución
Eficiencia del motor térmico = 17%.
2 pregunta:
Un motor térmico absorbe 3000 julios de calor (QH), realiza trabajo (W) y elimina 2000 julios de calor (QL). Calcula la eficiencia de la máquina térmica.
Solución
Eficiencia del motor térmico = 34%.
3 pregunta:
Un motor térmico absorbe 3000 julios de calor (QH), realiza trabajo (W) y genera hasta 1500 julios de calor (QL¿Calcular la eficiencia de una máquina térmica?
Solución
Eficiencia del motor térmico = 50%.
