Motores térmicos y eficiencia

Publicado el 9 septiembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

¿Qué es un motor térmico?

Siempre que vuelo en un avión, me gusta sentarme cerca del ala. Hay varias razones para esto: al estar en el centro del avión, es menos probable que se maree, y algunos incluso argumentan que es más seguro allí. Pero una de las razones es mi interés por la física. A pocos metros se encuentran los motores a reacción, una maravilla de la ingeniería y el conocimiento humanos. Y los motores a reacción, como todos los motores mecánicos (o no eléctricos), son solo un ejemplo de un motor térmico.

La segunda ley de la termodinámica nos dice que el calor solo pasa espontáneamente de lugares calientes a lugares fríos, nunca al revés. Una máquina térmica es el término general para cualquier motor que utilice esta transferencia de calor para extraer trabajo útil; en la mayoría de los casos, para crear movimiento físico. Así es como funcionan los motores de los automóviles, los motores a reacción y los motores de vapor originales.

Diagrama del motor térmico

Este es el tipo de diagrama que se utiliza para describir este proceso. Una máquina térmica tendrá un depósito caliente, un depósito frío y, a medida que la energía térmica se transfiera de caliente a frío, se extraerá trabajo. Este es exactamente el proceso opuesto a lo que sucede en un refrigerador, donde ponemos trabajo (o energía) a través de la electricidad y forzamos la transferencia de calor en sentido contrario; forzar el depósito frío a enfriarse para que nuestra comida no se eche a perder. Cuando el calor pasa de forma natural (de caliente a frío), podemos extraer trabajo. Cuando el calor va de forma poco natural (de frío a caliente), tenemos que trabajar.

Este diagrama también muestra parte del álgebra que usamos para los motores térmicos. QH es la energía térmica que sale del depósito caliente (medida en julios), QC es la energía térmica que entra en el depósito frío (también medida en julios) y W es el trabajo útil extraído del motor térmico (de nuevo, se mide en julios) .

La conservación de la energía dice que la energía no se crea ni se destruye; solo se mueve de un lugar a otro. Entonces esto significa que QH debe ser igual a la suma de W y QC . O en otras palabras, la energía que ingresa al motor térmico debe ser igual al trabajo extraído, más la energía térmica perdida al depósito frío. Independientemente del calor que entre, debe salir la misma cantidad de energía.

Eficiencia de un motor térmico

Para que un motor térmico funcione y siga funcionando, debe mantener el depósito caliente en buen estado y caliente. Eso requiere mucha energía. Por lo tanto, es muy importante que los motores térmicos sean lo más eficientes posible. Un motor térmico perfectamente eficiente sería uno en el que toda la energía térmica que usted pone para mantener caliente el depósito caliente se transfiere completamente al trabajo, donde el depósito frío no absorbe energía en absoluto. Y resulta que esto nunca puede suceder en el mundo real. Siempre se pierde algo de energía térmica y ningún proceso es perfectamente eficiente.

Si queremos calcular la eficiencia de un motor térmico, necesitamos averiguar qué proporción de la energía térmica que ponemos en el depósito caliente sale como trabajo. Entonces eso sería trabajo, W , dividido por QH , el calor que ponemos en el motor térmico. Si el 100% de la energía que pusimos saliera como trabajo, sería 100% eficiente y W sería igual a QH . Eso significa que W dividido por QH sería igual a 1. Este es un decimal, por lo que 1 significa 100%. Si lo desea como porcentaje, simplemente puede multiplicar por 100.

Pero, ¿y si no sabemos cuánto trabajo se extrajo? ¿Qué pasa si todo lo que sabemos es cuánto calor se puso en el depósito caliente y cuánto calor terminó en el depósito frío? En ese caso, necesitaremos una ecuación de eficiencia diferente. Debido a la conservación de la energía, sabemos que la energía que ingresa al motor térmico debe ser igual a la energía que sale. Entonces QH debe ser igual a W + QC . Si reorganizamos esta ecuación para hacer de W el sujeto, vemos que W (trabajo) es igual a QH – QC. Esto tiene sentido porque dice que el trabajo extraído de una máquina térmica es igual a la diferencia entre la energía que entra del depósito caliente y la energía que sale a través del depósito frío. Cualquiera que sea la diferencia entre estos dos números es la energía que se extrajo como trabajo.

Podemos sustituir QH – QC en nuestra ecuación de eficiencia anterior y luego veremos que la eficiencia de un motor térmico también es igual a QH – QC dividido por QH . Entonces, dependiendo de la información que se nos dé, podemos usar cualquiera de estas dos ecuaciones para calcular la eficiencia de una máquina térmica.

Ejemplo de cálculo

Bien, veamos un ejemplo. Digamos que está tratando de averiguar qué tan eficiente es el motor de su automóvil. Mide la cantidad de gas que se usa para conducir hasta el Gran Cañón y la cantidad de energía que equivale a Joules; resulta ser 2,4 millones de julios. A continuación, mides el calor que se escapa del motor. Al colocar algunos sensores en cada lado del motor, se estima que alrededor de 1.8 millones de julios de calor escaparon del motor. Entonces, ahora necesita usar una ecuación para calcular la eficiencia del motor. Ya tenemos QH y QC, la energía puesta en el motor térmico y la energía desperdiciada que terminó en el depósito frío (que, en este caso, es solo el medio ambiente). Entonces, deberíamos usar la segunda ecuación. Solo tenemos que introducir nuestros números y resolver. Entonces, eso nos dará 2,4 millones de Joules menos 1,8 millones de Joules, dividido por 2,4 millones de Joules. Escriba todo eso en una calculadora y obtendrá una eficiencia de 0,25. O, si lo desea como porcentaje, simplemente multiplique por 100 para obtener el 25%.

Resumen de la lección

La segunda ley de la termodinámica nos dice que el calor solo pasa espontáneamente de lugares calientes a lugares fríos, nunca al revés. Una máquina térmica es el término general para cualquier motor que utilice esta transferencia de calor para extraer trabajo útil; en la mayoría de los casos, para crear movimiento físico. Así es como funcionan los motores de los automóviles, los motores a reacción y los motores de vapor originales.

El diagrama estándar del motor térmico nos muestra este proceso, así como parte del álgebra que usamos para los motores térmicos. Es una buena referencia al mirar ecuaciones.

Hoy, aprendimos las ecuaciones para la eficiencia de un motor térmico. Una eficiencia del 100% significaría que todo el calor que pusiste se puso en funcionamiento y no se envió nada al depósito frío, lo cual es imposible en la vida real. Por tanto, la ecuación para la eficiencia es trabajo, W , medido en julios, dividido por la energía aportada , QH , también medida en julios. Si W = QH, entonces eso le da un 100% de eficiencia.

La conservación de la energía dice que la energía no se crea ni se destruye; solo se mueve de un lugar a otro. Entonces esto significa que QH debe ser igual a la suma de W y QC . O, en otras palabras, el trabajo extraído por la máquina térmica también es igual a la diferencia entre QH y QC . Usamos esto para obtener nuestra segunda ecuación para la eficiencia de un motor térmico, que es QH (medido en julios) menos QC (medido en julios), dividido por QH (también medido en julios).

Dependiendo de la información que nos den en una pregunta, podemos usar cualquiera de estas ecuaciones para calcular la eficiencia de un motor térmico. La respuesta saldrá como un decimal, pero si desea un porcentaje de eficiencia, simplemente multiplique por 100.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado, debería poder:

  • Recuerde la segunda ley de la termodinámica.
  • Describe qué es una máquina térmica.
  • Explica cómo funciona un motor térmico.
  • Calcule la eficiencia de un motor térmico usando la ecuación de eficiencia

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