Vamos a aprender qué es y cómo funciona una máquina térmica.

Después de haber comprendido una serie de nociones básicas sobre la termodinámica, así como los conceptos de estado y proceso, podemos adentrarnos en su utilidad práctica.

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un dispositivo que aprovecha las leyes de la termodinámica para obtener un beneficio.

Hay dos tipos de máquinas térmicas fundamentales:

  • Las que tratan de obtener flujo de trabajo a partir de un flujo de calor (por ejemplo un motor que funciona con una fuente de calor).
  • Las que tratan de mover calor de un sitio frío a uno más caliente (un frigorífico o un aire acondicionado).

En realidad, las primeras máquinas térmicas eran las que buscaban obtener trabajo a cambio de calor.

De ahí la máquina de vapor, que conseguía mover trenes, sacar agua, moler trigo... a cambio de la combustión de carbón.

Más adelante, surgió la idea de hacer lo mismo pero al revés.

En lugar de obtener trabajo a partir del flujo de calor, generar un flujo de calor forzado (de temperaturas frías a temperaturas calientes) aportando manualmente ese trabajo.

Y es ahí donde surgieron las máquinas térmicas del otro tipo, las que sirven para refrigerar.

Ese es el objetivo de la termodinámica, idear máquinas para mejorar la vida de los humanos, comprendiendo y aprovechando las cosas que hace la realidad.

¿Cómo funciona una máquina térmica?

Una máquina o motor térmico es un dispositivo que funciona realizando un conjunto de procesos.

Por ejemplo:

  • Absorbe calor de un foco caliente.
  • Genera flujo de trabajo moviendo piezas.
  • Disipa calor que se transfiere a un foco frío.
  • Y vuelve a empezar.

Dicho así puede parecer magia.

¿Cómo podemos hacer eso?

Pues vamos a comprenderlo después de saber qué es un ciclo termodinámico.

¿Qué es un ciclo termodinámico?

Un camino que termina donde empieza.

Hemos visto que los estados termodinámicos cambian mediante procesos y definen una trayectoria o camino.

Cuando ese camino termina justo donde empieza, tenemos un ciclo.

Podemos ver con los ojos un ciclo termodinámico si representamos los distintos estados por los que pasa el mismo.

Vamos a representar por ejemplo la presión y el volumen de un ciclo termodinámico de un gas.

By Richard Wheeler (Zephyris) 2007.

En cada punto el sistema termodinámico tiene un estado diferente, que en este caso estamos definiendo con sus variables termodinámicas presión y volumen.

La característica principal de un ciclo es que después de realizar varios procesos, se regresa al estado inicial, y se vuelven a realizar las mismas transformaciones otra vez, y otra vez, y otra vez...

Así cíclicamente.

¿Cuál es el ciclo de una máquina térmica?

Para una máquina térmica que tenga como objetivo convertir flujo de calor (quemar carbón) en flujo de trabajo (mover el tren), el esquema es el siguiente:

maquina-termica

Se aporta un calor que es absorbido por el sistema y una parte se vuelve a ceder al medio, mientras que otra parte se usa para generar trabajo.

Quizás te estés preguntando:

¿Para qué ceder calor al medio? ¿No es mejor usar todo para hacer trabajo?

Pero la cosa no es tan simple, de hecho eso en concreto es imposible.

El estudio de la termodinámica se dedica a idear diferentes ciclos de manera que se encuentre la forma más perfecta de hacerlo.

La que ofrezca mayor rendimiento.

Para empezar a comprender el asunto, estudiaremos un ciclo ideal.

Este ciclo no surge de la nada, sino de una mente brillante como fue la de Sadi Carnot.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot - ideado por Sadi Carnot - es el camino de un gas ideal, que pasa por 4 estados:

Partimos de un estado en el que el gas se encuentra a una temperatura Caliente, ocupando un volumen Mínimo a una presión Alta.

Y luego se producen una serie de transformaciones:

Transformación isotérmica (de 1 a 2)

Acercamos un foco caliente al gas y dejamos que este gas se expanda, debido a su alta presión.

Un gas al expandirse tiende a perder su tempreatura, pero como tiene el foco caliente cerca, estará absorbiendo calor.

Por eso mantiene su temperatura constante.

Se usa la expansión (aumento de volumen) para mover lo que sea, por ejemplo un pistón (creando tránsito de trabajo).

La energía interna del gas no cambia, dado que no ha cambiado la temperatura, por lo que todo el calor absorbido se ha transformado en trabajo generado.

Podemos decir que hasta aquí todo va de lujo... meto 50 Julios de calor y me salen 50 Julios de trabajo.

Transformación adiabática (de 2 a 3)

Ahora dejamos que el gas siga expandiéndose, pero sin contacto con el foco caliente.

Es decir, el gas no tiene absorción de calor, por lo que al seguir su expansión, se enfría.

Obviamente sigue aprovechándose este aumento del volumen para mover alguna pieza externa.

Al final de este proceso, el gas ha alcanzado su volumen máximo.

En este caso sí cambiamos de temperatura.

Hemos ido de la temperatura alta a la temperatura baja.

Como no hay transferencia de calor, porque el proceso es adiabático, todo el trabajo generado por el gas viene de su energía interna.

Transformación isotérmica (de 3 a 4)

De forma análoga a la anterior, ahora ponemos al gas en contacto con el foco frío.

Cede calor al foco frío, y pero la temperatura se mantiene constante porque el gas se comprime, aumentando su presión.

Estamos haciendo un trabajo sobre el gas, pero como cede calor al foco frío, su energía interna no cambia.

Transformación adiabática (de 4 a 1)

Ahora retiramos el foco frío, y seguimos comprimiendo el gas.

Como no tiene un lugar al que ceder el calor creciente, aumentará su temperatura, retornando al punto primero del ciclo, en el que tenía temperatura caliente, volumen Mínimo, y presión Alta.

En esta etapa se está haciendo trabajo sobre el gas al comprimirlo, que se almacena en forma de energía interna.

Y de ahí en adelante volveríamos a empezar.

En resumen:

  1. Expansión isotérmica: El gas genera trabajo al aumentar su volumen a temperatura constante.
  2. Expansión adiabática: El gas genera trabajo al aumentar su volumen. Se enfría.
  3. Compresión isotérmica: Se hace trabajo sobre el gas para comprimirlo a temperatura constante.
  4. Compresión adiabática: Se hace trabajo sobre el gas para comprimirlo. Se calienta.

Otro punto de vista:

  1. Expansión isotérmica: El gas genera trabajo que viene del calor absorbido.
  2. Expansión adiabática: El gas genera trabajo perdiendo su energía interna.
  3. Compresión isotérmica: Se hace trabajo sobre el gas mientras este expulsa calor.
  4. Compresión adiabática: Se hace trabajo sobre el gas mientras este recupera su energía interna.

Otro punto de vista:

  1. Metemos calor - ENERGÍA INTERNA - Sacamos trabajo
  2. No metemos nada - ENERGÍA INTERNA - Sacamos trabajo
  3. Metemos trabajo - ENERGÍA INTERNA - Sacamos calor
  4. Metemos trabajo - ENERGÍA INTERNA - No sacamos nada

Otro punto de vista:

Miramos un diagrama p-V (presión-Volumen).

ciclo-de-carnot

No hay que tener miedo de los diagramas, están ahí para enseñar lo que está pasando:

  • Las curvas largas son las líneas de temperatura constante.
  • Las curvas cortas son los procesos adiabáticos (sin transferencia de calor).
  • La temperatura T1 es la caliente y la T2 es la fría.

Recorriendo el ciclo con los ojos y la cabeza vemos claramente lo que pasa.

Dos veces se aumenta el volumen (expansión - la gráfica va hacia la derecha).

  • Una vez con la temperatura constante (absorbiendo calor).
  • Otra vez con enfriamiento.

Dos veces se reduce el volumen (compresión - la gráfica va hacia la izquierda).

  • Una vez con temperatura constante (cediendo calor).
  • Otra vez con calentamiento.

Guay.

El ciclo se repite indefinidas veces, de forma que mientras tengamos una fuente de calor que se mantiene caliente y otra que se mantiene fría, podemos seguir usando el flujo de trabajo para nuestro beneficio.

Es verdad que hay que "gastar" trabajo para realizar la compresión, pero al final, el trabajo generado por el sistema es mayor que nosotros le damos.

Pregunta del millón

¿Quién hace el trabajo sobre el gas para comprimirlo?

Entender que el gas se expande y mueve cosas es fácil.

Pero que luego el asunto se comprima por sí solo, es menos fácil de entender.

Bien.

Hemos dicho que el gas hay que comprimirlo a la fuerza, porque necesitamos que vuelva al estado inicial.

Si no esto no sería un ciclo y mucho menos una máquina térmica.

Nosotros estamos ideando el ciclo en la teoría, y podemos inventarnos lo que queramos, sin pensar cómo vamos a hacerlo.

Pero obviamente, eso así no sirve para nada, hay que pensar una forma de hacerlo realidad.

¿Y qué idea se nos ocurre?

Al mover asuntos, el motor podría por ejemplo mover un volante de inercia.

motor-termico

Un volante de inercia - rojo en la foto - es una rueda que sirve para almacenar energía cinética, energía de movimiento.

Cuando le das vueltas a un volante de inercia, y luego dejas de darle vueltas, este sigue girando por sí mismo durante un ratito.

Pues este es un ejemplo de fuerza que se puede aplicar para comprimir el gas, lo que implica que parte del trabajo obtenido para nuestro disfrute, lo estamos re-invirtiendo en que el motor térmico siga funcionando de forma cíclica.

Estaríamos perdiendo energía para que esto pueda seguir funcionando.

Otra parte de energía se pierde en forma de rozamiento entre las distintas piezas del motor.

Rendimiento

Hemos observado que no toda la energía en tránsito en forma de calor se está usando para obtener tránsito de trabajo.

La idea más inteligente sería tener una máquina que transforme todo el aporte de calor en un aporte de trabajo neto.

Así tendríamos más trabajo con el mismo calor.

Pero eso todavía no se ha conseguido hacer.

Lo que podemos hacer es intentar que sea lo más eficiente posible.

Vale, pero, ¿cuál es el rendimiento máximo que podría tener un motor perfecto?

Rendimiento de un ciclo de Carnot

Considerando que la definición de rendimiento es:

¿Cuánto me beneficio por cada unidad de la cosa que doy?

Aplicando esto al ciclo de Carnot sería:

¿Cuánto trabajo neto fluye a mi favor en consecuencia a todo el flujo de calor que aportamos?

A vista de pajarito formulador:

$$\eta=\frac{W_{neto}}{Q_{absorbido}}=\frac{Q_{absorbido}-Q_{cedido}}{Q_{absorbido}}=1-\frac{Q_{cedido}}{Q_{absorbido}}$$

El tito Carnot descubrió estos asuntos antes de que se conociera la temperatura como hoy en día.

Él, la "caloridad", "la calentura" de esta cosa - lo que hoy llamamos temperatura-, la estableció usando uno de los focos de temperatura como la unidad, por definición.

Observó que en su ciclo ideal, las proporciones con respecto al flujo de calor se conservaban para cualquiera que fuese la temperatura de los focos.

$$\frac{Q_{absorbido}}{T_{caliente}}=\frac{Q_{cedido}}{T_{fria}}$$

Por lo que el rendimiento podemos calcularlo también de la forma:

$$\eta=1-\frac{Q_{cedido}}{Q_{absorbido}}=1-\frac{T_{Fria}}{T_{Caliente}}$$

El rendimiento es más cercano al 100% cuanto más caliente es el foco caliente, o cuanto más frío es el foco frío.

Es decir, obtenemos más beneficio cuanto mayor sea el contraste de temperaturas a las que funciona el motor.

Máquina frigorífica

A veces resulta interesante enfriar aún más una zona fría que está rodeada por otra más caliente.

La transferencia de calor no va a suceder de un sitio frío a uno más caliente por cuenta propia.

Por eso necesitamos poner un esfuerzo extra (trabajo) para que eso pase.

Y es precisamente lo que surgió cuando Carnot quiso hacer un motor que funcionase con la misma eficiencia en una dirección que en la otra.

Si tomamos el esquema de la máquina térmica de Carnot, y le damos la vuelta, tenemos:

maquina-frigorifica

Pero antes de profundizar en cómo funcionaría esta máquina en la vida real, tenemos que enseñarle al cerebro algunos conceptos fundamentales básicos.

En todo este asunto de las máquinas térmicas y frigoríficas que se estaban intentando estudiar y construir, surgieron una serie de observaciones:

Es imposible hacer un motor térmico que convierta todo el calor al 100% en trabajo.

maquina-termica-imposible

Y también es imposible hacer una máquina frigorífica que por arte de magia haga que el calor se vaya de la zona fría a la caliente.

maquina-frigorifica-imposible

Estas cosas hacían que los ingenieros se extrañasen muchísimo.

Y en esa duda se basa la teoría que seguiremos viendo en los próximos capítulos.

Ahora nosotros vamos a progresar un poco, y veremos un ejemplo de motor real.

Pero antes de eso, tenemos que aprender algunas herramientas básicas para calcular transferencias de calor y trabajo.