¿Qué es Máquina termodinámica? — Física

Definición 24.1 Física universitaria — primer año · Capítulo 24 — Máquinas térmicas

Una máquina termodinámica es un sistema cerrado (el fluido de trabajo) que recorre un ciclo, de modo que vuelve periódicamente al mismo estado, mientras intercambia un trabajo $W$ con el exterior y calores $Q_i$ con fuentes a las temperaturas $T_i$ — los termostatos, cuya temperatura no altera el intercambio. Una máquina ditérmica usa dos termostatos, la fuente caliente a $T_h$ y la fuente fría a $T_c < T_h$ . Es un motor si entrega trabajo ( $W < 0$ ), un frigorífico si se la acciona ( $W > 0$ ) para tomar calor de la fuente fría, y una bomba de calor si se la acciona para dar calor a la caliente. Todas las magnitudes se cuentan a lo largo de un ciclo, algebraicamente, como recibidas por el fluido.

Los dos sentidos de un ciclo ditérmico. A la izquierda: el motor toma calor de la fuente caliente, cede parte de él a la fría y entrega la diferencia como trabajo. A la derecha: la misma máquina accionada al revés bombea calor de la fría a la caliente; es un frigorífico si lo que se quiere es Q_c, y una bomba de calor si lo que se quiere es |Q_h|. — Los dos sentidos de un ciclo ditérmico. A la izquierda: el motor toma calor de la fuente caliente, cede parte de él a la fría y entrega la diferencia como trabajo. A la derecha: la misma máquina accionada al revés bombea calor de la fría a la caliente; es un frigorífico si lo que se quiere es $Q_c$ , y una bomba de calor si lo que se quiere es $|Q_h|$ .

Ejemplos

Ejemplo 24.6 (Tres cifras)

Una turbina de vapor entre $T_h = 800\,\mathrm{K}$ y un río a $T_c = 300\,\mathrm{K}$ : $\eta_C = 0.625$ ; las centrales reales llegan a unos $0.40$ . Un frigorífico doméstico entre los $275\,\mathrm{K}$ del interior y una cocina a $298\,\mathrm{K}$ : $e_f \leq 275/23 = 12$ ; las máquinas reales dan de $2$ a $4$ . Una bomba de calor que caldea una casa a $293\,\mathrm{K}$ con aire a $273\,\mathrm{K}$ : $e_p \leq 293/20 = 14.7$ ; las bombas reales dan de $3$ a $5$ — aun así, de tres a cinco veces lo que la misma electricidad daría en una resistencia (Problema 24.1).

Ejemplo 24.18 (¿Bomba de calor o resistencia?)

Una casa que pierde $6\,\mathrm{kW}$ con $-5{}^{\circ}\mathrm{C}$ en el exterior necesita $6\,\mathrm{kW}$ de electricidad con resistencias; una bomba de calor ideal de $268\,\mathrm{K}$ a $293\,\mathrm{K}$ necesitaría $6/11.7 = 0.51\,\mathrm{kW}$ ; una real con temperaturas de intercambiador $260\,\mathrm{K}$ y $313\,\mathrm{K}$ y un factor de calidad $0.55$ , $e_p = 0.55 \times 313/53 = 3.2$ , necesita $1.9\,\mathrm{kW}$ . El problema de fin de semana recorre la temporada entera, entropía incluida.

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