El
trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, pero
convertir éstas en trabajo no es fácil, por ejemplo el trabajo se puede
convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en
trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales.
A
estos dispositivos especiales se les denomina maquinas térmicas y estos se
caracterizan por:
1.-Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera).
1.-Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera).
2.-Convierten
parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha
rotatoria).
3.-Rechazan
el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la
atmósfera, los ríos, etcétera).
4.-Operan
en un ciclo.
El
dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una máquina
térmica es la central eléctrica de vapor, la cual es una máquina de combustión
externa, es decir, la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina y la
energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor.
El esquema de una central eléctrica de vapor se muestra en la siguiente figura.
Éste es un diagrama bastante simplificado y el análisis de la central eléctrica
de vapor real se da en capítulos posteriores. Las distintas cantidades mostradas
en esta figura son:
Qentrada=cantidad
de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura
alta (horno)
Qsalida=
cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de
temperatura baja (atmósfera, río, etcétera)
Wsalida=
cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina
Wentrada=cantidad
de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la caldera
Observe
que las direcciones de las interacciones de calor y trabajo se indican mediante
los subíndices entrada y salida. Por lo tanto, las cuatro cantidades descritas
son positivas siempre.
La
salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia
entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total
Recuerde
que para que un sistema cerrado experimente un ciclo, el cambio de energía
interna ∆U es cero y, en consecuencia, la salida de trabajo neto del sistema
también es igual a la transferencia neta de calor hacia el sistema:
Eficiencia
térmica
La
fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es
una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica.
Para
las máquinas térmicas, la salida deseada es la de trabajo neto, mientras que la
entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido de
trabajo. Entonces la eficiencia térmica de una máquina térmica se puede
expresar como
O
También es posible expresarla como
Para
uniformar el tratamiento de máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de
calor, se definen estas dos cantidades:
QH=
magnitud de la transferencia de calor entre
el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TH.
QL= magnitud
de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja
temperatura a temperatura TL.
Entonces,
el trabajo neto y las relaciones de eficiencia térmica para cualquier máquina
térmica también se pueden expresar como
O bien
La
eficiencia térmica de una máquina térmica siempre es menor a la unidad porque
QL y QH se
definen como cantidades positivas.
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