1. Ventajas de las máquinas térmicas Con el permiso quizá de la fotovoltaica y la hidroeléctrica, (que también tienen una componente térmica más del !"# de la electricidad del mundo es $enerada a través de turbinas (de vapor en las centrales térmicas y nucleares y de $as natural en las de ciclo combinado, que convierten calor en trabajo. %ncluso %ncluso en las centrales centrales nuclear nucleares, es, lo que se aprovec aprovecha ha realmen realmente te es s&lo s&lo la ener$'a ener$'a térmica térmica $enerada por la reacci&n en cadena. or otro lado, si e)ceptuamos el tren eléctrico, la mayor parte del transporte mundial por tierra y todo el transporte mar'timo es movido por motores térmicos de combusti&n. *+ los aviones -ambién vuelan $racias a turbinas
/. 0l ciclo de Carnot icolas Carnot propuso a principios del si$lo 2%2 un modelo de máquina térmica basada en el trabajo realizado por la e)pansi&n de un $as al aumentar su temperatura. Como veremos, el modelo es lo suficientemente universal para que toda máquina térmica se pueda comparar con la máquina de Carnot. 0l modelo de máquina térmica de Carnot es un cilindro de $as con un émbolo que trabaja entre una fuente de calor 31 a temperatura -1 y un sumidero 3/ a temperatura -/4
0l proceso que propone Carnot para $enerar trabajo a partir del calor es el si$uiente4
roceso 54 artimos del cilindro en reposo a temperatura -/. 6o aislamos para que no pueda intercambiar calor con el e)terior (lo que se conoce como proceso adiabático y lo comprimimos reversiblemente (con lo que el $as se calienta hasta que alcanza la temperatura -1. Como no hay intercambio de calor4 7 85 9 " roceso :4 8e$uidamente, retiramos el aislamiento y lo ponemos en contacto con la fuente 31. ;ejamos que el $as se e)panda reversiblemente, a temperatura constante -1. 0l $as absorbe un calor <1 a temperatura -1, por lo que4 7 8: 9 <1 = -1 roceso C 4 Volvemos a aislar el cilindro y lo dejamos e)pandir reversiblemente (sin intercambiar calor , es decir, adiabáticamente mientras el $as se enfr'a hasta alcanzar la temperatura -/. Como no hay intercambio de calor4 7 8C 9 " roceso ;4 3inalmente, retiramos el aislamiento y lo ponemos en contacto con el sumidero 3/. Comprimimos el $as reversiblemente a temperatura -/ (que va cediendo calor al sumidero 3/ hasta volver a la situaci&n de partida (volumen m'nimo del $as. 0l $as cede un calor
Como a lo lar$o del ciclo no hay variaci&n de ener$'a interna ? (el estado inicial y final son el mismo, aplicamos el primer principio de la termodinámica4 el trabajo realizado es i$ual al calor intercambiado con el medio (con si$no ne$ativo4 @ 9 <1 9 > 7 8; A -/ > 7 8: A -1 Como 8 es una funci&n de estado, s&lo depende del estado inicial y final. 8i llamamos 85, 8:, 8C y 8; a las entrop'as al comienzo de los procesos 5, :, C y ; respectivamente4 7 8; 9 85 B 8; 7 8: 9 8C B 8: ero4 " 9 7 85 9 8: B 85 de donde 8: 9 85 " 9 7 8C 9 8; B 8C de donde 8; 9 8C or lo tanto4 7 8; 9 85 B 8; 7 8: 9 8C B 8: 9 8; B 85 9 > 7 8; +4 @ 9 <1 9 > ( 85 B 8; A -/ > ( 8; B 85 A -1 eordenando 4 @ 9 <1 9 85 A ( -1 B -/ D 8; A ( -/ > -1 9 ( 85 > 8; A ( -1 B -/ E " 85 E 8; pues se lle$a de ; a 5 absorbiendo calor. or tanto, la máquina realiza un trabajo. 0l rendimiento de la máquina será entonces4 endimiento 9 @ = <1 9 (<1 B 7 8; A -/ y <1 9 7 8: A -1 y teniendo en cuenta que 7 8: 9 > 7 8;4 endimiento 9 1 B (> 7 8; A -/ = (7 8: A -1 9 1 B -/ = -1 0s decir, el rendimiento obtenido s&lo depende de la diferencia entre las temperaturas de trabajo. ?na conclusi&n bastante sorprendente. Fráficamente, en términos de temperatura y entrop'a4
3uentes4 http4==es.GiHipedia.or$=GiHi=icolasI6#CJ#5!onardI8adiICarnot http4==GGG.sc.ehu.es=sbGeb=fisica=estadistica=carnot=carnot.htm http4==es.GiHipedia.or$=GiHi=K#CJ#51quinaIdeICarnot
/.1. -eoremas de Carnot 6a máquina de Carnot puede funcionar en sentido inverso (ejecutando los procesos en orden inverso4 ;, C, : y 5. 0n este caso, actLa como una máquina fri$or'fica que absorbe trabajo y traspasa calor del sumidero 3/ a la fuente 31 (al$o que hacen con re$ularidad los refri$eradores de nuestras casas.
8i tenemos otra máquina térmica K que trabaja entre las temperaturas -1 y -/, podemos acoplarla a una hipotética máquina de Carnot funcionando en sentido inverso como se indica en este esquema4
+ e)traer dos conclusiones, conocidas como teoremas de Carnot4 M K no puede tener un rendimiento superior a C, ya que, en este caso4 @ = <1K 9 ( <1K = <1K E 1 B -/ = -l 0s decir, reordenando y teniendo en cuenta que <1K E "4 <1K = -/ E <1K B <1K = -l > 7 8 universo 9 <1K = -/ 9 <1K ( 1 B 1 = -/ EN " 6o que implica variaci&n de entrop'a ne$ativa (en contra del se$undo principio. M Consecuencia de lo anterior4 dos máquinas reversibles operando entre las mismas temperaturas tienen el mismo rendimiento.
J. Consecuencias sobre el rendimiento de máquinas térmicas
0stos dos importantes teoremas tienen consecuencias fundamentales4 M 0l rendimiento de una máquina térmica que opera entre dos temperaturas muy pr&)imas tiende a ", a medida que disminuye la diferencia entre ambas temperaturas. M 6as máquinas térmicas más eficientes operan a altas temperaturas, aunque e)isten limitaciones derivadas de las propiedades de los materiales que las componen. o or ejemplo, una turbina de vapor t'pica opera a temperaturas de la fuente en torno a O""> P""QC (temperatura por encima de la cual el a$ua comienza a descomponerse en R y S con el consi$uiente proceso de corrosi&n de los materiales que la componen, obteniendo rendimientos de hasta el JP#. o ?na turbina de $as de ciclo combinado puede operar a temperaturas de unos 1.JP" TC a la salida de los $ases de la cámara de combusti&n y tiene, por tanto, un rendimiento muy superior, cercano al P"#. 0l l'mite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras de combusti&n de esas turbinas. o ?n motor de combusti&n interna (diésel o $asolina opera apro)imadamente a unos 1/"QC obteniendo rendimientos del /P#. o 6os sistemas de ener$'a basados en e)tracci&n del calor oceánico, tienen rendimientos muy pobres, en torno al J#. 5demás, hay que tener en cuenta que una cosa es el rendimiento má)imo te&rico, y otra el rendimiento real, que habitualmente oscila entre un P"# y un U"# del te&rico, en funci&n del diseo y los materiales empleados en la máquina. or ejemplo, para una turbina de vapor, pasar de un rendimiento del W"# a uno del U"# puede suponer duplicar o incluso triplicar la inversi&n y los costes de mantenimiento.
eferencias4 http4==es.GiHipedia.or$=GiHi=-urbom#CJ#51quina http4==es.GiHipedia.or$=GiHi=-urbinaIdeIvapor http4==es.GiHipedia.or$=GiHi=KotorIt#CJ#5!rmico http4==es.GiHipedia.or$=GiHi=CicloIcombinado
