máquinas térmicas y rendimiento mapa conceptual
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Comprender el tema
Las máquinas térmicas transforman calor en trabajo mecánico aprovechando una diferencia de temperatura entre un foco caliente y otro frío. Este tema explica el ciclo de Carnot, el rendimiento máximo teórico y por qué ninguna máquina real puede alcanzarlo, según el segundo principio de la termodinámica. Se analizan ejemplos cotidianos como motores de automóvil, turbinas y frigoríficos, junto con los conceptos de entropía, fuentes térmicas y balance energético.
Funcionamiento de una máquina térmica
Una máquina térmica funciona en ciclos: toma calor Q1 de un foco caliente, realiza trabajo mecánico W y cede calor Q2 a un foco frío. El medio de trabajo, como un gas en un pistón o vapor en una turbina, vuelve a su estado inicial al final de cada ciclo, por lo que su energía interna no varía. El balance energético exige que W = Q1 − Q2, de modo que parte del calor absorbido siempre se desperdicia en el foco frío. Esta cesión obligatoria de calor es la consecuencia esencial del segundo principio de la termodinámica.
El ciclo de Carnot y el rendimiento máximo
Sadi Carnot publicó en 1824 el análisis de un ciclo ideal formado por dos isotermas y dos adiabáticas reversibles. Su resultado central es que el rendimiento máximo posible depende solo de las temperaturas absolutas de los focos: η = 1 − Tfrío/Tcaliente, con temperaturas en kelvin. Por ejemplo, operar entre 600 K y 300 K da un rendimiento máximo del 50 por ciento. Ninguna máquina real puede alcanzar este valor, porque la reversibilidad perfecta es imposible: toda irreversibilidad reduce el rendimiento por debajo del límite de Carnot.
Máquinas reales y máquinas frigoríficas
Los motores de automóvil, las turbinas de vapor y los reactores trabajan con ciclos distintos del de Carnot, como el Otto, el diésel o el Rankine, y sus rendimientos reales quedan muy por debajo del límite teórico por fricción, pérdidas térmicas y combustión incompleta. En sentido inverso funcionan los frigoríficos y las bombas de calor: consumen trabajo para transferir calor desde el foco frío al caliente. En estos dispositivos el coeficiente de rendimiento, cociente entre calor útil y trabajo aportado, puede ser mayor que 1 sin violar la termodinámica, porque no crea energía, solo la transporta.
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Preguntas de repaso
¿Por qué ninguna máquina térmica puede tener un rendimiento del 100 por ciento?
Porque el segundo principio de la termodinámica obliga a ceder parte del calor absorbido al foco frío. Si toda la energía entrante se convirtiera en trabajo, el ciclo sería imposible, ya que implicaría una disminución de entropía en un sistema aislado.
¿Qué rendimiento máximo tiene una máquina de Carnot entre 500 K y 300 K?
Aplicando η = 1 − Tfrío/Tcaliente se obtiene η = 1 − 300/500 = 0,4, es decir, un 40 por ciento como máximo teórico. Una máquina real entre esas mismas temperaturas rendiría menos por las irreversibilidades.
¿En qué se diferencia un frigorífico de una máquina térmica?
El frigorífico invierte el proceso: en lugar de producir trabajo a partir del calor, consume trabajo externo para extraer calor del interior frío y verterlo al ambiente. Por eso su coeficiente de rendimiento puede superar 1, algo imposible en el rendimiento de una máquina motriz.