máquina térmica

Sistemas que transforman calor en trabajo, sin que en ellas exista una variación de su energía interna $∆U=0$ y partiendo de las siguientes restricciones:

• Enunciado de Kelvin - Planck. No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo.
• Enunciado de Clausiois. No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.

Existen muchos ejemplos de máquinas térmicas como la máquina de vapor, el motor de un coche, e incluso un refrigerador,

Estructura

En la figura inferior puede verse un esquema de una máquina térmica habitual.

Dado que T₁ > T₂ , el calor fluye de manera espontánea desde la fuente al sumidero. La máquina transforma parte de este calor en trabajo, y el resto fluye al sumidero. No existe variación en la energía interna de la máquina resultando:

$$∆U=0\Rightarrow \left|Q_1\right|=\left|W\right|+\left|Q_2\right|$$

Donde hemos utilizado el valor absoluto para ser consistente con cualquiera de los criterios de signos habituales. Observa que, en condiciones óptimas:

$$\left|W\right|=\left|Q_1\right|-\left|Q_2\right|\Rightarrow \left|W\right|<\left|Q_1\right|$$

Es decir, no todo el calor que absorve la máquina se transforma en trabajo.

Puede que te estés  preguntando si sería posible otro modelo de máquina, sin sumidero de calor, que sí permita transformar todo el calor en trabajo. La respuesta es que una máquina así es imposible de construir en la práctica ya que se necesita de una diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el sumidero para que este fluya a través de la máquina.

Funcionamiento

El proceso cíclico de una máquina térmica sigue los siguientes pasos:

1. La fuente de calor, por ejemplo una caldera, a una temperatura T₁ , inicia una transferencia del mismo Q₁ a la máquina. Esta transferencia es posible por la diferencia de temperatura con el sumidero, a una temperatura T₂
2. La máquina emplea parte de ese calor en realizar el trabajo W . Por ejemplo, el movimiento de un pistón
3. El resto de calor Q₂ se transfiere a un sumidero de calor, por ejemplo un circuito de refrigeración, a una temperatura T₂ < T₁

El proceso anterior se repite de manera continuada mientras la máquina se encuentra en funcionamiento.

Para comparar el funcionamiento entre distintas máquinas térmicas se hace uso de una magnitud denominada rendimiento o eficiencia térmica.