¿Qué es la entropía?
Imagínese la diferencia entre la ropa arrugada en el cesto de la ropa sucia y la ropa limpia cuidadosamente doblada en los cajones de la cómoda. Se necesita mucho menos esfuerzo para dejar que la ropa se amontone en la canasta de ropa sucia que para doblarla cuidadosamente y guardarla en su lugar apropiado. Este es un ejemplo del concepto de entropía , que es la tendencia natural de un sistema a volverse más desordenado. La entropía es un concepto de termodinámica que se ocupa del desorden y la aleatoriedad de las moléculas.
Otro ejemplo de aumento de la entropía es poner un cubito de hielo en una bebida caliente. El calor fluye del líquido más caliente al cubo de hielo y derrite el hielo. Aunque se agregó muy poco calor al sistema (el hielo contiene algo de calor), la entropía del sistema aumentó porque el agua sólida (hielo) tiene una disposición estructurada de sus moléculas. Cuando se derrite, la estructura desaparece y las moléculas se organizan al azar, lo que hace que el sistema sea más desordenado.
Ahora que entendemos la entropía, centrémonos en la entropía en relación con los motores térmicos.
Motores de coche
Los automóviles son casi una parte esencial de nuestra vida diaria. Las personas que tienen que conducir mucho pueden tomar una decisión sobre qué automóvil conducir basándose en qué tan bien el motor del automóvil puede ahorrar gasolina. Desafortunadamente, mucha de la gasolina que compramos para alimentar el motor de nuestro automóvil solo calienta el motor. Veamos cómo el motor de un automóvil convierte la gasolina en movimiento.
Dentro del motor del automóvil hay cilindros y pistones. Los pistones son piezas cilíndricas de metal que se mueven hacia arriba y hacia abajo dentro del cilindro. Unida a la parte inferior del pistón hay una biela, que está unida al cigüeñal. El cigüeñal está conectado al volante, que hace girar los engranajes de la transmisión cuando está acoplado. La transmisión esencialmente hace girar las ruedas y su automóvil se mueve por la carretera. Es lo que sucede dentro del cilindro en lo que debemos concentrarnos.
Elevación Ebulloscópica: Qué es, Formulas y Ejemplos
La gasolina y el aire se encienden dentro del cilindro cuando el pistón está en la parte superior del cilindro. Cuando aumenta la temperatura, aumenta el desorden del sistema, que es un aumento de la entropía. El gas que explota quiere expandirse en todas las direcciones, pero el metal grueso de la pared del cilindro no lo permite. Solo las moléculas dirigidas al pistón lo empujan hacia abajo, lo que finalmente hace que las ruedas del automóvil se muevan.
La energía de las moléculas que no hacen que el pistón se mueva se utiliza para calentar el cilindro. Parte de la energía de las moléculas que golpean el pistón también se pierde en calor. Esto nos lleva directamente a una discusión sobre la eficiencia del motor.
Eficiencia del motor
El motor térmico del que hemos hablado trabaja sobre el flujo de energía térmica. Un gradiente de temperatura es una diferencia de temperatura entre dos ubicaciones separadas. Imagínese la diferencia de temperatura entre la temperatura dentro del cilindro cuando el motor está funcionando y la temperatura del escape. El escape está caliente, pero la temperatura dentro del cilindro es abrumadora. El calor que sale como escape es energía perdida. Veamos este diagrama en su pantalla que muestra el flujo conceptual de calor en un motor térmico.
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¿Qué es el Ciclo Diésel en Termodinámica?
Podemos calcular la eficiencia de un motor térmico utilizando el calor proporcionado por el combustible quemado y el calor emitido a través del escape. La ecuación es:
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En esta ecuación:
- Q H es calor en el sistema
- Q C es calor que sale del sistema
Ambas temperaturas deben estar en Kelvin. Determinamos la eficiencia de algunos motores térmicos.
¿Qué es la Compresibilidad en Termodinámica?
Primero echemos un vistazo a un ejemplo de motor de gasolina. Aquí está nuestro mensaje: La temperatura de la gasolina encendida dentro del cilindro de un motor de automóvil es de alrededor de 503 K. La temperatura de escape del motor es 298 K. ¿Cuál es la eficiencia del motor?
Aquí está nuestra solución: Q H = 503 K , Q C = 298 K
Por lo tanto, usando nuestra ecuación de eficiencia acabamos de aprender:
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Es importante señalar que esta es la eficiencia teórica del motor de gasolina. Hemos ignorado otras ineficiencias que reducen significativamente la eficiencia general.
Veamos ahora un ejemplo que involucra una máquina de vapor. Los motores de vapor funcionan quemando combustible para hervir el agua. Luego, el vapor se usa para mover pistones. Aquí está nuestro mensaje: Una máquina de vapor tiene una temperatura interna de 373 K. La temperatura de escape es 298 K. ¿Cuál es la eficiencia del motor?
Ahora aquí está nuestra solución: Q H = 373 K , Q C = 298 K
Como antes, usemos la fórmula de eficiencia. En este caso:
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Nuevamente, este es un valor teórico. La eficiencia real es mucho menor.
Resumen de la lección
Repasemos lo que hemos aprendido. La entropía es parte de la segunda ley de la termodinámica. Se define como la tendencia de un sistema a volverse más desordenado y aleatorio. Los motores térmicos funcionan con el concepto de gradiente de temperatura , que es una diferencia de temperatura entre dos ubicaciones separadas. Se quema combustible, lo que genera calor. El calor hace que el gas se expanda y se utiliza para trabajar moviendo un pistón. El escape contiene calor que no se utilizó para realizar el trabajo. Cuando las partículas de gas se calientan, quieren expandirse. No todas las partículas de gas golpean el pistón. Algunos golpean las paredes del cilindro, lo que solo aumenta la temperatura del cilindro.
La eficiencia teórica de un motor térmico se puede calcular en función de su temperatura interna frente a la temperatura de escape.
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