Maquina Termica

Máquina térmica

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son independientes.

Por el contrario, en una máquina hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la variación de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de los efectos mecánicos y el análisis de los efectos térmicos, llegando a despreciar los efectos térmicos en gran parte de los casos. Tal es el caso de una bomba hidráulica, a través de la cual pasa líquido. Alejándose de lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también puede considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues, aunque el aire es un fluido compresible, la variación de volumen específico no es muy significativa con el propósito de que no se desprenda la capa límite.

En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía.

Máquina térmica y motor térmico[editar]

En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacciónde combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida.

Turbinas de vapor:Las turbinas de vapor  expulsan un chorro de vapor, calentando con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo macánico de rotación. 
Se utiliza en las centrales termoeléctricas para mover los generadores eléctricos y en los barcos para accionar las hélices.

Motores de explosión:
Se utilizan en los automóviles. Aprovechan la energía generada en la combustión de una mezcla de aire con gasolina para mover un pistón. 
El trabajo macánico del movimiento del pistón de aprovecha para el desplazamiento del vehículo.

Motor de reacción:
También llamado turbina de gas. Es una máquina térmica de mayor potencia que el motor de explosión.
Los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrás por una tobera impulsando el vehículo hacia delante.
Se utilizan en aviación, para conseguir una mayor velocidad.

PROBLEMA:

Una máquina hace un trabajo de 25 J en cada ciclo, absorviendo 85 cal. ¿Cuál es el rendimiento de la máquina y el calor liberado en cada ciclo?

Solución

Datos

• Trabajo realizado, W  = 25 J
• Calor liberado, Q1 = 85 cal = 85·4.184 = 355.64 J

Resolución

El rendimiento de la máquina viene dado por:

η=WQ1=25355.64=0.0702 ⇒7%

 El trabajo realizado por la máquina es la diferencia entre el calor absorvido por la máquina y el calor que va al sumidero, es decir, liberado, por tanto:

W=Q1−Q2⇒Q2=Q1−W=355.64−25=330.64 J =79.02 cal

Cambios de estado

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si se descarta la materia oscura).

Tipos de cambio de estado[editar]

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

• Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

• Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

• Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

• Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

• Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

• Sublimación inversa: Es el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.

• Desionización: Es el cambio de un plasma a gas.

• Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico.

Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos: progresivos y regresivos.

• Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva.
• Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva

La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado:

Inicial\Final	Sólido	Líquido	Gas	Plasma
Sólido		fusión	sublimación, sublimación progresiva o sublimación directa
Líquido	solidificación		evaporación o ebullición
Gas	sublimación inversa, regresiva o deposición	condensación y licuefacción(licuación)		Ionización
Plasma			Desionización

También se puede ver claramente con el siguiente gráfico:

Punto de fusión

El punto de fusión es la temperatura a la cual la materia pasa de estado sólido a estado líquido, es decir, se funde.

Al efecto de fundir un metal se le llama fusión (no podemos confundirlo con el punto de fusión). También se suele denominar fusión al efecto de licuar o derretir una sustancia sólida, congelada o pastosa, en líquida.

Punto de ebullición

El punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a gaseoso, es decir se ebulle. Expresado de otra manera, en un líquido, el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido. En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido.

La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energía cinética media de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. Este incremento de energía constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropía del sistema (tendencia al desorden de las partículas que lo componen).

El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente - dipolo inducido o puentes de hidrógeno).

Procesos termodinamicos

Se define como el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de
materia y energía. Los principios de la termodinámica tienen una importancia
fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de
materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno
infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio
puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión
o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Es posible identificar
y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor
específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo
que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con
el entorno.

Cuando un sistema macroscópico pasa de
un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso
termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el
siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites
de todos los procesos termodinámicos.

En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de
determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a
un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica,
estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial
a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de
un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial
y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados
como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada
alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren
en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser
visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta
otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.

PROCESO
ISOTÉRMICO

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio de temperatura reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema.

 La compresión o expansión de un gas ideal en
contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la
energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.

Ejemplo de este tipo de proceso, son el de evaporación del agua y la
fusión del hielo. Pues estos tienen un cambio de temperatura, que es constante,
por lo que se le puede llamar, proceso isotérmico.

PROCESO ISOBÁRICO

Un proceso isobárico es
un proceso termodinámico que
ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables mediante:
,
Donde:
 = Calor transferido.
 = Energía Interna.
 = Presión.
 = Volumen.
En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea
horizontal. Si la presión no cambia
durante un proceso, se dice que éste es isobárico. 

Un ejemplo de un proceso isobárico:
         Es la ebullición del agua en un recipiente abierto. Como el
contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante.
En el punto de ebullición, la temperatura del agua no aumenta con la adición de
calor, en lugar de esto, hay un cambio de fase de agua a vapor.

PROCESO ISOCÓRICO

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o
isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el
proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define
como: Z=PΔV;  donde P es la presión (el
trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos
deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es: Q=ΔU, para un
proceso isocórico: es decir, todo el calor que
transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece
constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento detemperatura,

Q=nCVΔT, donde CV es el calor específico molar a volumen constante.

En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea
vertical. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones
deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a
otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de
un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial
y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados
como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada
alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren
en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre si.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como
los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras
condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.

Ejemplo:
¿Cuando se
incrementa la energía interna de 10g de hielo que esta a cero
grados centígrados cuando se transforma en agua manteniendo el volumen constante? 

como el proceso es isocorico, ya que no cambia el volumen, entonces w=0 y de acuerdo
con la primera ley de la termodinámica la cantidad de calor ganado por el hielo
es igual al cambio en su energia interna, es decir: Q= ΔU . Ahora bien, el
calor de fusion del hielo es Q=mLf. en donde Lf=80cal/g.

Sustituimos
valores en la relación anterior:

Q=(10g)(80cal/g)=800calpor tanto,
el cambio en la energía interna es: 

ΔU=Q=800cal
4.19J/1cal=3352J

PROCESO ADIABÁTICO

En termodinámica:

•Dicho de un proceso termodinámico, que se
produce sin intercambio de calor con el
exterior

En Física.

•Que no permite el intercambio de calor

•Que está aislado térmicamente

•Que está totalmente aislado del exterior

Las variaciones de volumen o presión de un cuerpo sinaumento o disminución de calor, es decir, no intercambia calor con su entorno. Un procesoadiabático que es además reversible se conoce comoproceso isotrópico.

El calentamiento y enfriamiento adiabático son
procesos que comúnmente ocurren
debido al cambio en la presión de un gas.
Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.

Un gas, al dilatarse adiabáticamente,
se enfría, pues la cantidad de calor que contiene se reparte en un volumen mayor; por
el contrario, la compresión adiabática
de dicho gas tiene
por efecto un aumento de su temperatura.

en climatización los
procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia decalor, a pesar que se consiga variar la temperatura delaire y su humedad relativa.

Límite adiabático:

Se dice que un límite es adiabático
cuando el estado del sistema se puede cambiar únicamente moviendo el límite o
bien colocando al sistema en un campo de fuerzas exteriores (por ejemplo campos
eléctricos, magnéticos o gravitacionales). Esta noción será crucial en nuestra
próxima formulación de la Primera Ley. A veces se suele definir el límite
adiabático como aquél que es impermeable al flujo de calor.

PROCESO DIATÉRMICO

Se le llama Diatérmico a aquel cuerpo que deja pasar fácilmente calor.

límite diatérmico:

Se dice que un límite es diatérmico cuando permite que el estado del sistema se
modifique sin que haya movimiento del límite. La manera usual de definirlo es
que un límite es diatérmico cuando permite el flujo de calor a través de él.

Paredes diatérmicas:

Son aquellas que sí permiten que un sistema termodinámico modifique su grado
relativo de calentamiento.
PROBLEMAS