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NO ME SALEN
(APUNTES TEÓRICOS DE BIOFÍSICA DEL CBC)
MAQUINAS TERMICAS
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Máquinas térmicas
Como te comenté en el apunte del primer principio, aunque la termodinámica se desarrolló como una respuesta de la ciencia para explicar el funcionamiento de máquinas y motores que aparecieron en la revolución industrial, los principios descubiertos se pueden aplicar a cualquier sistema, por ejemplo sistemas mecánicos, sistemas vivos, sistemas informáticos, sistemas eléctricos... lo que se te ocurra.
Sin embargo una y otra vez volvemos a las máquinas térmicas, porque su sencillez ayuda a entender los conceptos nacidos en la termodinámica.
Este es el esquema típico de una máquina térmica trabajando a régimen constante (o sea, sin variar su propia temperatura), y por lo tanto manteniendo constante la energía interna, ΔU = 0. |
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Los elementos que componen el esquema son: |
- La fuente caliente, acá representada con el rectángulo rojo (que podría ser una caldera, o una cámara de combustión o cualquier cosa a alta temperatura). La temperatura de la fuente es, T1.
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- La fuente fría, acá representada con el rectángulo verde (que podría ser el medio ambiente). La temperatura de la fuente fría es T2, con T1 > T2, lógicamente.
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- La máquina propiamente dicha que, por lo general, funciona cíclicamente, a régimen constante.
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- Las tres flechas son: Q1 el calor tomado de la fuente caliente; Q2 el calor desperdiciado que fluye a la fuente fría; y W el trabajo realizado por la máquina.
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W o L
son símbolos alternativos para
trabajo |
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Lógicamente, toda máquina térmica que se precie, debe cumplir ciegamente el primer principio de la termodinámica: Q1 – Q2 = W .
Rendimiento
El concepto de rendimiento en termodinámica no es diferente que en el lenguaje coloquial. Una máquina (como un negocio) rinde más cuanto mayor sea el beneficio y cuanto menor sea el costo o la inversión. En el caso de la máquina el beneficio es claramente el trabajo de que ella se obtiene. Y el costo es el calor obtenido de la fuente caliente (calentada con leña, con nafta, con gasoil, o con cualquier cosa que cuesta mucha plata). De modo que el rendimiento, que se simboliza con la letra griega minúscula, terrorista, eta, η, será... |
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Si representamos el trabajo por su igual (según el primer principio)...
η = (Q1 – Q2) /Q1
η = 1 – (Q2/Q1)
De esta forma se ve que el rendimiento de una máquina térmica es siempre un número que varía entre 0 y 1, más cercano a 1 cuanto menor sea la energía desperdiciada, Q2, y más cercano a 0 cuando mayor sea el desperdicio.
Como es fácil deducir de la definición, el rendimiento es un número, no tiene unidades. Es habitual presentarlo en porcentual.
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| NOTA: en la literatura, los códigos, posiciones y subíndices para los elementos del esquema de la máquina térmica varían ampliamente. Es muy común C para la fuente caliente (en lugar de 1) y F para la fuente fría (en lugar de 2), lo mismo para los calores. Las posiciones -arriba o abajo- de las fuentes también varía. |
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| CHISMES IMPORTANTES |
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- Cuando aprendas a aplicar el Segundo Principio de la Termodinámica al funcionamiento de las máquinas térmicas, vas a ver que el régimen energético y de temperaturas en el cual pueden operar se halla bastante restringido.
- El rendimiento de un motor naftero ronda el 25%, uno diesel anda cercano al 35%. Mientras que los motores eléctricos rondan el 80%. El rendimiento del cuerpo humano se acerca al 20%.
- En 1822, un pibe de 26 años llamado Sadi Carnot se dio cuenta de que el rendimiento de las máquinas térmicas sería máximo cuando el cociente entre los calores Q2/Q1 fuera igual al de las temperaturas T2/T1. De lo que no se dio cuenta fue de que -sin saberlo- estaba formulando muy tempranamente el segundo principio de la termodinámica.
- Hay quienes piensan que las máquinas térmicas son objetos de museos, artefactos simpáticos del pasado. Máquinas térmicas casi idénticas a sus progenitoras de las locomotoras antiguas, son las que transforman la energía calórica de las centrales nucleares para mover los dínamos que generan la energía eléctrica. El motor a vapor está vivito y coleante.
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PREGUNTAS CAPCIOSAS |
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- ¿Podrías armar un esquema -al estilo de la máquina térmica- para el cuerpo humano, y describir sus partes?
- Qué te parece... ¿podría existir una máquina térmica que no tuviese desperdicio alguno? O sea, ¿que Q2 fuese nulo? O sea, ¿de rendimiento igual a 1?
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| Algunos derechos reservados.
Se permite su reproducción citando la fuente. Última actualización jul-09. Buenos Aires, Argentina. |
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