UNIDAD II. Generación de energía eléctrica
2.5 Máquinas y eficiencia
En la popular serie Los Simpson, Lisa una de las hijas de la familia durante una huelga de profesores, construye su propia máquina de movimiento perpetuo. Al ver que esta máquina no dejaba de funcionar Homero su padre le dice: Lisa en esta casa obedecemos las leyes de la Termodinámica.
Figura 2.40 https://media.giphy.com/media/xWLfNvrbrQUWA/giphy.gif
Lo que nos lleva a preguntarnos ¿Podemos crear máquinas de movimiento perpetuo?, ¿Cumplirán las leyes de la Física?
Las máquinas de movimiento perpetuo llevaron a los físicos a reflexionar sobre si la energía total se conserva. Esta teoría nos llevó a la primera ley de la termodinámica: La cantidad total de materia y de energía no puede ser creada ni destruida, que en su forma algebraica es la siguiente:
Δ𝑈𝑖𝑛𝑡 = 𝑄 − 𝑊 Lisa en esta casa obedecemos las leyes de la Termodinámica
102
que en forma coloquial se podría decir que no se puede obtener algo por nada, la analizamos en el apartado de transformación de energía.
Segunda ley de la Termodinámica
La segunda ley nos dice que la cantidad total de entropía (desorden) siempre aumenta (no se mantiene). La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada integra y completamente en trabajo útil.
De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor, pero no todo el calor puede convertirse en trabajo, siempre se genera un calor residual y con ello el desorden o caos del universo y la entropía siempre aumenta, por lo que una maquina siempre producirá algún calor residual, y aumentará con ello la entropía del universo. Ejemplo de la Segunda ley: El envejecimiento
Cada vez que nos vemos en un espejo con el paso de los años nos percatamos de nuevas arrugas, o canas, por lo que estamos observando los efectos de la segunda ley ya que la entropía de un sistema como el de nuestro cuerpo puede aumentar, pero no disminuir. Figura 2.41
Los seres vivos podemos ordenar pequeñas moléculas y construir estructuras complejas, pero estamos consumiendo energía, a costa de un caos en el entorno que sería el envejecimiento y muerte.
Figura 2.41 http://factorelblog.com/wp-content/uploads/2015/05/button.jpg Maquinas térmicas
103 Es un aparato que opera continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta temperatura a otra de temperatura baja. La máquina térmica permite obtener un sistema que opera en un ciclo.
La figura 2.42, muestra el funcionamiento de una máquina térmica, podemos distinguir el foco o la fuente caliente (TH) de la cual se obtiene el calor suministrado (QH > 0, positivo ya que es calor que ingresa al sistema), el trabajo realizado por la máquina (W>0, positivo pues es trabajo que realiza el sistema) y el foco o la
fuente fría (TC) a la cual se deposita el calor de salida (QC < 0, negativo porque es calor que sale del sistema), cabe señalar que Q y W tienen unidades de energía, es decir Joules (J), mientras que la temperatura se mide en Kelvin (K).
El calor suministrado, el de desecho y el trabajo están relacionados mediante la siguiente ecuación: W=|QH|-|QC|.
Es importante incluir el valor absoluto en la ecuación dada la convención de signos. Supón que a la máquina se le proporcionan 2000 J, de los cuales desecha 900 J, entonces QH = 2000 J y QC = - 900 J, de no incluir el valor absoluto en la ecuación 2 se tendría que W = 2000 J - ( - 900 J) = 2900 J, lo cual es ilógico pues la máquina estaría ocupando más energía de la que recibe en cambio, considerando el valor absoluto W = |2000 J| - |-900 J| = 1100 J lo cual indica el foco caliente suministró 2000 J, el signo positivo del trabajo significa que la máquina ocupó 1100 J para realizar trabajo, y el resto fue desechado.
Eficiencia de máquinas térmicas
La eficiencia o rendimiento de una máquina térmica es: “lo que obtenemos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, “lo que obtenemos” es el trabajo neto que sale de la máquina. “Lo que nos cuesta” es el calor que entra, matemáticamente:
η=|W||QH|×100 En donde:
η es la eficiencia de la máquina térmica, sin unidades, en porcentaje % W es el trabajo neto producido por la máquina medido en Joules (J), QH es el calor suministrado a la máquina por el combustible en Joules (J). Figura 2.42 http://experimentales.cosdac.sems.gob.mx/wp-content/uploads/2017/05/maquterm.jpg
104
También podemos utilizar la siguiente ecuación en función de las temperaturas: η=(1-TC/TH) ×100
En donde:
η es la eficiencia de la máquina térmica, sin unidades, en porcentaje % TC es la temperatura de la fuente fría, en kelvin (K)
TH es la temperatura de la fuente caliente, en kelvin (K)
Ejercicios:Supongamos que construyes una máquina térmica la cual, en cada ciclo, recibe 200 cal de la fuente caliente y realiza un trabajo de 180 cal. ¿Cuál es la eficiencia de esta máquina? __________________________________________________________________ Calcula la eficiencia de una máquina de vapor, cuya caldera trabaja a 150 ºC y su condensador a 70 ºC, expresando el resultado en porcentaje. _________________
Actividad Ingresa a la página:https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-forms-and-changes y activa la casilla Símbolos/ Tipos de energía.
Figura 2.43
http://1.bp.blogspot.com/-623tqENzy14/U7G9EQ8Ky0I/AAAAAAAAJyA/Rpumlkj_RF0/s1600/4.PNG Selecciona: el sol, la celda solar y el foco de filamento, notarás que la aplicación ensambla estos elementos para formar una máquina térmica.
105
Contesta las siguientes preguntas:¿Cuál es el foco caliente? _____________________________________________ ¿Cuál es el foco frío? _________________________________________________ ¿Qué tipo de trabajo se realiza? ________________________________________ ¿Cuál es la forma de transferencia de calor con la que funciona esta máquina? Si quitas el foco de filamento y colocas el ahorrador: ¿Se modifica la eficiencia de la máquina? ___________________________________________________________ ¿por qué? __________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ¿Cuál de los dos ensambles tiene mayor eficiencia? _________________________ ¿por qué? __________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Repite el procedimiento para encender los focos, pero ahora cambia el sol por la tetera y la celda solar por la rueda giratoria.
Contesta las siguientes preguntas:
¿cuál es la fuente caliente? _____________________________________________ ¿cuál es la fuente fría? _________________________________________________ ¿qué tipo de trabajo se realiza? __________________________________________ ¿por qué la eficiencia de la máquina no es del 100%? ________________________