Esquema general de las máquinas. (Termicas y Reales)

Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas

 Las máquinas térmicas son aquellos dispositivos que se utilizan para transformar la energía (de un tipo a otro), y que en su funcionamiento producen un intercambio de calor. Dentro de las clases de máquinas térmicas, hay dos grandes grupos: los motores y los generadores. En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina. Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo las transformaciones energéticas que terminan en calor suponen una degradación de la energía, toda vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales.

 

 

 

 

 

 

 

 

Máquinas térmicas y eficiencia de máquinas ideales.

La eficiencia en una maquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado, la formulas es la siguiente: 

e = T / Q1 = (Q1-Q2)/Q1 = (T1-T2)/T1 donde: 
T = trabajo mecánico (cal, Joule) 
Q1 = calor suministrado (cal, Joule) 
Q2 = calor obtenido (cal, Joule) 
T1 = trabajo de entrada (cal, Joule) 
T2 = trabajo de salida (cal, Joule) 
e = eficiencia (%)

 

 

La eficiencia de una máquina térmica depende entre qué temperaturas trabaje... porque esto es fundamental
pero lo que importa es que esto junto con las características de fabricación de dicha máquina hace que se produzcan determinadas pérdidas de calor que producen una disminución de la eficiencia y por lo tanto la máquina no entrega el 100 % de su rendimiento como sería en un caso ideal, sino que tiene un rendimiento menor... 

Recuerda que una máquina térmica consiste en un instrumento que genera trabajo mecánico a partir de energía térmica, pero no toda la energía térmica la transforma en energía mecánica sino que parte de esta energía se disipa al medio ambiente o medio frío.... 

Ahora, profundizando un poco más, sabemos que ninguna máquina puede tener un rendimiento mayor al de la llamada máquina térmica de Carnot... que se determina en base a las temperaturas entre las cuales operaría dicha máquina, pero sería en condiciones también ideales... para la fabricación de la máquina.
Por supuesto, existen consideraciones de diseño que impiden que las máquinas reales
alcancen el rendimiento de la máquina de Carnot. Así, las indeseables pérdidas de energía, por
fricción, conducción, radiación, reducen drásticamente el rendimiento de las máquinas reales. Pero
estas pérdidas de rendimiento se pueden suprimir en parte mediante nuevos diseños, materiales más
avanzados o mejores lubricantes, haciendo que se acerque el rendimiento de la máquina real al de la
máquina de Carnot. Sin embargo, el máximo rendimiento que cualquier máquina funcionando entre
dos focos puede tener, siempre será el de la máquina de Carnot funcionando entre ambos focos.

 

 

Primera ley de la termodinamica.

La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estadointerno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes con los principios básicos de la física(recuérdese el principio de la conservación de la energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte Social).

La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía. A continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo hincapié en la segunda ley y el concepto de entropía.

La Ley cero

La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempodeterminado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.

De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas).

La Primera Ley

La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.

Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajoy el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.

Cambios de energia interna por calor y temperatura.

El calor es la medida neta de la cantidad de energía que se transfieren de los sistemas puestos en contacto y que se encuentran a diferentes temperaturas; éste concepto (la temperatura) es una magnitud relacionada, mediante una proporcionalidad directa, con la energía cinética promedio que tienen las partículas de un material (átomos, moléculas, iones). Denominándose a la suma esa energía y la energía electromagnética de las partículas, como la energía interna de las partículas. Al disminuir la temperatura, la energía cinética microscópica de las partículas disminuye (y viceversa).
Para algunos estudiantes, el calor es lo que se siente o se percibe de un ambiente a altas temperaturas (que ellos denominan sofocante o caluroso). También piensan que el calor es la energía de los procesos a altas temperaturas y que ellos denominan como calientes, muy calientes, donde algo se quema; o lo que sentimos al acercarnos a un foco calorífico. Para la temperatura, indican que es lo que mide el estado del tiempo en un ambiente; lo que mide cuánto calor hace o tiene un cuerpo; lo que medimos en las personas que tienen fiebre; o lo que sentimos cuando hacemos ejercicio o practicamos algún deporte.
Todo lo anterior coincide con lo que expresan algunos investigadores que han estudiado el tema y de los que he podido consultar tenemos a la Doctora Driver (1988), quien explica que los estudiantes adolescentes consideran el calor como algo material, que se acumula en los cuerpos, hasta que por falta de espacio tiene que desplazarse a otro lugar del material que lo está acumulando. Que el frío es lo contrario del calor, y que el frío puede transferirse al igual que el calor. Otros autores como Vázquez Díaz (1987) y aquellos citados en su investigación, manifiestan algunas concepciones espontáneas de los estudiantes, los cuales explican que el calor no tiene magnitud física o esa magnitud es la temperatura; el calor está contenido en los cuerpos; calor y temperatura son conceptos no diferenciados; el frío es la ausencia de calor, o lo contrario de éste. Este mismo autor explica que el tema del calor es un concepto complejo, por lo que se espera que su aprendizaje “resulte bastante difícil”.
Objetivos específicos de esta unidad didáctica:

• Reconocer que en los cambios o transformaciones en diversos fenómenos naturales, o aquellos en que los seres humanos provocan, están implicadas las transformaciones y transferencias de diversas formas de energías.
• Identificar las diversas formas de energías con sus respectivos nombres y las fuentes de las cuales se originan.
• Demostrar que existen cambios o transformaciones que ocurren a bajas y altas temperaturas.
• Explicar los conceptos de partículas (átomos, iones, moléculas), energía interna, energía cinética microscópica, energía potencial electromagnética microscópica.
• Relacionar los cambios y transformaciones macroscópicos de la energía, con cambios y transformaciones que ocurren a nivel microscópico en los sistemas materiales.

Conservacion de la energía.

La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor. Dicho de otra forma :la energía puede transformarse de una forma a otra o transferirse de un cuerpo a otro, pero en su conjunto permanece estable (o constante).




Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación de la energía es la llamada primera ley de la termodinámica, la cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de energía térmica (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema (ΔU) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores:

 

Aunque la energía no se pierde, se degrada de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. En un proceso irreversible, la entropía de un sistema aislado aumenta y no es posible devolverlo al estado termodinámico físico anterior. Así un sistema físico aislado puede cambiar su estado a otro con la misma energía pero con dicha energía en una forma menos aprovechable. Por ejemplo, un movimiento con fricción es un proceso irreversible por el cual se convierte energía mecánica en energía térmica. Esa energía térmica no puede convertirse en su totalidad en energía mecánica de nuevo ya que, como el proceso opuesto no es espontáneo, es necesario aportar energía extra para que se produzca en el sentido contrario.

Desde un punto de vista cotidiano, las máquinas y los procesos desarrollados por el hombre funcionan con un rendimiento menor al 100%, lo que se traduce en pérdidas de energía y por lo tanto también de recursos económicos o materiales. Como se decía anteriormente, esto no debe interpretarse como un incumplimiento del principio enunciado sino como una transformación "irremediable" de la energía.

Aplicaciones de las formas de calor: conduccion, radiacion, conveccion.

Conducción
Es una forma de transmisión del calor se origina en sólidos, en los cuales la energía térmica (en forma de energía cinética) se propaga por vibración de molécula a molécula.
La expresión que rige la transmisión del calor en la unidad de tiempo por conducción en una pared plana o con un radio de curvatura mucho mayor que el espesor es

,

siendo:

• Q, el flujo de calor por unidad de tiempo;
• k, el coeficiente de conductivilidad térmica, que depende del material;
• A, el área de la barrera que permite la conducción térmica entre los sistemas;
• e, el espesor de la pared;
• T₁ − T₂, la diferencia de temperaturas entre las caras de la pared.

Si el flujo de calor es a través de varias barreras, se puede generalizar la expresión para dar

 

Convección

Movimiento por convección

Es una forma de propagación del calor se produce en los fluidos (líquidos y gases ) por un movimiento real de la materia. Este movimiento se origina por la disminución de la densidad de los fluidos con el aumento de temperatura (los hace mas livianos por unidad de volumen) que produce un ascenso de los mismos al ponerse en contacto con una superficie mas caliente y un descenso en el caso de ponerse en contacto con una superficie mas fría.
La expresión que rige la transmisión del calor por convección es

,

siendo

• Q, el flujo de calor por unidad de tiempo;
• h, el coeficiente de transmisión de calor;
• A, el área de contacto entre el fluido y la pared;
• T₁ − T₂ es la diferencia de temperaturas entre el fluido y la cara de la pared en contacto con él.

Radiación
Todos los cuerpos irradian energía en forma de onda electromagnética , similares a las ondas de radio, rayos x , luz, etc. Lo único que difiere en estos distintos tipos de ondas es la longitud de onda o frecuencia.
El calor por radiación al igual que estas ondas se propaga a la velocidad de la luz (3·10⁸ m/s en el vacío) y no necesita de un medio para poder propagarse. Se transmite a través del vacío mejor que a través del aire ya que este siempre absorbe parte de la energía.
La función que rige esta forma de propagación de la energía es la ley de Stefan – Boltzman

Q = eσAT⁴,

siendo

• Q, el flujo de calor por unidad de tiempo;
• A, el área;
• e, la emisividad de la superficie, que varía entre 0 y 1 (cuerpo negro);
• σ, la constante de Stefan–Boltzman, que vale ;
• T es la temperatura absoluta del cuerpo

Todos los cuerpos irradian y reciben energía irradiada por otros cuerpos por lo tanto la energía neta irradiada es la diferencia entre la irradiada y la recibida la cual se expresa

,

siendo

• T₁ la temperatura del cuerpo 1
• T₂ la temperatura del cuerpo 2
• K el coeficiente de radiación mutua

Calor especifico y latente.

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.[1] [2] Se la representa con la letra (minúscula).

En forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula).

Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto es donde es la masa de la sustancia.

El calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°Ctemperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. (

Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.

Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.

¿Qué es el Calor específico y latente?

Equipo	RESPUESTAS
1	Calor específico: es la cantidad de calor necesaria para subir un grado o más de temperatura un objeto con una masa de un gramo.
2
3	Calor latente: el cambio de temperatura de una sustancia conlleva a una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado.
4	Latente: cantidad de energía bajo la forma de calor lanzado o absorbido en un cambio de fases. Especifico: cantidad de calor necesaria para elevarla temperatura de una sustancia a un grado.
5	Calor latente: cambios físicos dados por la temperatura (aumento de volumen con calor y contracción de volumen en el enfriamiento) calor especifico: es la energía necesaria para elevar 1 grado C. a un gramo de materia o sustancia c=...!
6	Calor latente: El cambio de temperatura Calor  específico: Calor que es necesario.

Q = m.Cp (Tf-Ti)

Q = energía transferida se mide en calorías.

Cp. = Calor especifico del material  Cal/Grados centígrados. Gramos

M = masa del material en gramos

T = temperatura (inicial i Final f) grados centígrados.

Material: Vaso de precipitados 250 ml, termómetro, sistema de calentamiento, placa de aluminio o cobre,  balanza.

Procedimiento:

-          Pesar la placa de aluminio o cobre.

-          Pesar 100 ml de agua en el vaso de precipitados

-          Calentar  la barra metálica dentro del agua hasta ebullición,  midiendo la temperatura del agua.

-          Colocar la barra de metal en el calorímetro y medir la temperatura de equilibrio del agua inicial

Metal	Masa gramos	Temperatura inicial del agua	Temperatura de equilibrio	-                     Calculo del calor especifico
-                     1°cobre	-	-	-	-                     .14cal/g°C
-                     2	-	-	-	-
-                     3	-	-	-	-
-                     4°cobre	-                     120.2	-                     18°C	-                     20°C	-                     .22cal/g°C
-                     5°cobre	-	-	-	-                     .10cal/g°C
-                     6°cobre	-	-	-	-                     .19cal/g°C

Conclusiones:

Pudimos observar el calor latente en el momento en que el agua ebullo y desprendió energía en forma de calor. También el calor especifico del agua, 1 cal para elevar un grado centígrado, 1 gramo de agua. Observamos el equilibrio térmico al introducir la barra de metal caliente al agua, la barra cedió calor bajando de temperatura mientras el agua lo absorbió elevando la suya, y de ahí calculamos el calor específico de ambas.