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Máquinas térmicas

La segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a partir del calor, solo prohíbe la conversión total de calor en trabajo. Solo una fracción del calor absorbido puede ser transformada en trabajo en un proceso cíclico, y esta es la base de un montón de máquinas que utilizan el calor para transformarlo en “energía útil”.

Una máquina térmica es un mecanismo que produce trabajo a partir del calor en un proceso cíclico.

No entraremos en detalles pero vale comentar que cualquier ciclo con sentido horario puede asociarse a una máquina térmica.Los procesos esenciales de una máquina térmica los podemos resumir en: la absorción de calor a alta temperatura, la producción de trabajo y la liberación de calor a baja temperatura. Para el tratamiento teórico de las máquinas térmicas se supone que los depósitos donde se producen el calentamiento del agua (caldera) y el enfriamiento del vapor (condensador) están a temperatura constante y pueden absorber o liberar calor sin cambiar su temperatura, esto lo denominaremos como que son dos fuentes (una caliente y la otra fría) a temperatura constante. Esto se puede esquematizar:

Un ejemplo común de máquina térmica es la máquina de vapor que mueve un tren. En esta máquina tenemos una caldera (fuente caliente) que entrega calor, esta energía en forma de calor la máquina la transforma en trabajo para mover la locomotora, pero no convierte toda la energía en trabajo, parte de ella es liberada también en forma de calor al ambiente. 

Máquinas frigoríficas

A veces necesitamos una máquina que funcione “al revés” que una térmica, por ejemplo en una heladera o un aire acondicionado necesitamos mantener el interior a una temperatura menor que la exterior ¿Cómo conseguimos esto si sabemos que espontáneamente hay un flujo de calor del exterior a mayor temperatura, hacia interior a menor temperatura. Para mantener el interior que deseamos refrigerar a una temperatura inferior al exterior, constantemente debemos sacar el calor que ingresa del exterior, o sea que necesitamos absorber calor a baja temperatura (del interior) y ese calor debe ser continuamente rechazado a los alrededores a mayor temperatura.
Como el resultado final es transmitir el calor de un cuerpo a menor temperatura (interior) a otro de mayor temperatura (exterior) de acuerdo al segundo principio esto es imposible que suceda de manera espontánea, es decir sin intervención externa. Para ese propósito debemos suministrar energía externa en forma de trabajo, pensemos que al “enchufar la heladera/aire para que funcione” le estamos entregando un trabajo (en este caso eléctrico, lo estudiaremos en breve) para que la máquina sea factible.
El diagrama de una máquina frigorífica es exactamente inverso que el de una máquina térmica, suponiendo las mismas condiciones: la máquina es cíclica, y las temperaturas del interior (T2) y el exterior (T1) se mantienen constantes. Como la máquina realiza un ciclo la variación de energía interna (y de su entropía) es cero. Cualquier ciclo con sentido antihorario puede asociarse a una máquina frigorífica,

Noten que el rendimiento de una máquina frigorífica puede ser mayor que 1, algo imposible para las máquinas térmicas. Si, por ejemplo, tenemos una máquina frigorífica reversible que funciona entre 200K y 300K, ω = 2. Además cuanto menor sea la diferencia de temperaturas (más chico sea T1 – T2) mayor será ω para máquinas reversibles; claro pues si la diferencia de temperaturas es muy grande me va a costar mucho trabajo transmitir calor del ambiente frío al exterior a mucha mayor temperatura.