Máquina térmica

As máquinas térmicas son máquinas de fluído compresible: Nos motores térmicos, a enerxía do fluído que atravesa a máquina diminúe, obténdose enerxía mecánica.
No caso de xeradores térmicos, o proceso é o inverso, de modo que o fluído incrementa a súa enerxía ao atravesar a máquina.
Tal distinción é puramente formal: os motores térmicos son máquinas que empregan a enerxía resultante dun proceso, xeralmente de combustión, para incrementar a enerxía dun fluído que posteriormente se aproveita para a obtención de enerxía mecánica. Os ciclos termodinámicos empregados esixen a utilización dunha máquina ou grupo xerador que pode ser hidráulico (nos ciclos de turbina de vapor) ou térmico (nos ciclos de turbina de gas), de modo que sen este o grupo motor non pode funcionar. Por iso é polo que na práctica denomínase Motor Térmico ó conxunto de elementos atravesados polo fluído, e non exclusivamente ó elemento no que se obtén a enerxía mecánica.
Tendo en conta o anterior, as máquinas térmicas se poden clasificar como se recolle no cadro seguinte (entre paréntese, un exemplo). O ciclo realizado nunha máquina térmica consta:
a) Dun proceso durante o cal se produce a absorción da calor dun foco externo a temperatura elevada denominado foco quente.
b) Dun proceso durante o cal a calor é expulsada a un foco externo a temperatura máis baixa denominado foco frío.
As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionan por ciclos utilizan un fluído para recibir e ceder calor ao cal se dá o nome de fluído de traballo.
O traballo líquido do sistema é simplemente a diferenza entre o traballo da fonte quente e o da fonte fría: W t
W 2 − W 1 {\displaystyle W_{t}
W_{2}-W_{1}} (1) onde: W t {\displaystyle Wt} é traballo líquido ou total da máquina térmica; W 2 {\displaystyle W_{2}} é o traballo da fonte quente; W 1 {\displaystyle W_{1}} é o traballo da fonte fría. Estes valores poden ser positivos ou negativos segundo se realice traballo ou se absorba, o balance depende do tipo de máquina.
O traballo pode ser definido a partir dos intercambios de calor: W t
Q 2 − Q 1 {\displaystyle W_{t}
Q_{2}-Q_{1}} (2)
onde Q 2 {\displaystyle Q_{2}} e Q 1 {\displaystyle Q_{1}} son respectivamente a calor cedida da fonte quente e a calor recibida pola fonte fría. Rendemento
O rendemento das máquinas térmicas pode ser, dunha maneira xeral, a razón entre o traballo total e o traballo (ou calor) necesario para que ela funcione, ou sexa, é o que se obtén polo que se dá de traballo: η
W t Q 2 {\displaystyle \eta
{\frac {W_{t}}{Q_{2}}}} (3)
mais pola ecuación (2) podemos mellorar a ecuación (3): η
( Q 2 − Q 1 ) Q 2 {\displaystyle \eta
{\frac {(Q_{2}-Q_{1})}{Q_{2}}}} e por fin: η
1 − Q 1 Q 2 {\displaystyle \eta
1-{\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}} (4)
O rendemento é a eficiencia con que unha máquina térmica funciona. En xeral o rendemento das máquinas é baixo: motores de automóbeis, da orde de 20%;
motores a diésel, da orde de 30%;
grandes turbinas a gas, da orde de 40%.
Así o restante de enerxía que non é aproveitado pola máquina é xogado no medio ambiente na forma de enerxía inútil, perdida. Máquinas frigoríficas ou xeladeiras
Como vimos, unha máquina térmica consiste en fornecer calor para obter traballo con algunha perda. Nas máquinas frigoríficas, o ciclo funciona esencialmente en sentido contrario, pois elas retiran calor da fonte fría (o seu interior) transferíndoo á fonte quente: B
Q 1 W t {\displaystyle B
{\frac {Q_{1}}{W_{t}}}} (5)
e por un razoamento análogo ao anterior chegaremos a: B
Q 1 ( Q 2 − Q 1 ) {\displaystyle B
{\frac {Q_{1}}{(Q_{2}-Q_{1})}}} (6) Máquina de Carnot
É unha máquina ideal que opera no Ciclo de Carnot. Sendo que esta máquina ten un rendemento máximo, é o límite de todas as máquinas. Para unha máquina de Carnot é valida a relación: Q 2 Q 1
T 2 T 1 {\displaystyle {\frac {Q_{2}}{Q_{1}}}
{\frac {T_{2}}{T_{1}}}} (7)
onde T 2 {\displaystyle T_{2}} e T 1 {\displaystyle T_{1}} son respectivamente as temperaturas da fonte quente e da fonte fría.
As relacións de rendemento poden ser modificadas pola relación (7) e obter o rendemento da máquina de Carnot.