Máquinas Térmicas y Refrigeradores

Máquinas térmicas

Una máquina térmica va a quemar algún combustible para producir calor \(\left(Q_{C}\right)\), con el objetivo de producir trabajo \((W)\), por ejemplo para mover un automóvil, para bombear agua, para generar energía eléctrica en una termoeléctrica.

Pero no todo el calor se puede convertir en trabajo. SIEMPRE existe una parte de la energía que se pierde en el proceso hacia las fuentes frías \(\left(Q_{F}\right)\), por ejemplo, calentando los materiales alrededor, soltando gases por el escape.

Esquemáticamente 

Rendimento

El rendimiento de un ciclo se define de la siguiente forma:

\(\eta=\frac{\left|W_{\text {ciclo }}\right|}{\left|Q_{C}\right|}\)

Como \(W_{\text {ciclo }}=Q_{C}-Q_{F}\):

\(\eta=\frac{\left|Q_{C}\right|-\left|Q_{F}\right|}{\left|Q_{C}\right|}\)

\(\Rightarrow \eta=1-\frac{\left|Q_{F}\right|}{\left|Q_{C}\right|}\)

Básicamente, una máquina muy eficiente es aquella que genera mucho trabajo \((W)\) con poca quema de combustible \(\left(Q_{C}\right)\).

Refrigeradores

A diferencia de las máquinas térmicas, en los refrigeradores, el trabajo se utiliza para transferir energía de una fuente fría a una fuente caliente

Por la Primera Ley de la Termodinámica, tenemos:

\(Q_{\text {Frio}}+W=Q_{\text {Caliente}}\)

Piensa en un refrigerador. Lo enchufas, y este obtiene electricidad. Esta energía eléctrica (Trabajo) va directamente a un motor, que retirará calor del interior de la nevera (Fuente Fría) y lo enviará a la parte trasera, quedando más caliente en aquella región (Fuente Caliente).

Por eso algunas personas ponen la ropa a secar detrás del refrigerador  :P

Coeficiente de rendimiento 

El coeficiente de rendimiento es análogo al rendimiento, pero para los refrigeradores. Para un refrigerador genérico, tenemos que el coeficiente de rendimiento \(K\) es dado por:

\(K=\frac{\left|Q_{F}\right|}{|W|}\)

Y como \(Q_{F}+W=Q_{C}\):

\(K=\frac{\left|Q_{F}\right|}{\left|Q_{C}\right|-\left|Q_{F}\right|}\)

Un refrigerador con muy bajo rendimiento es aquel que toma mucho calor de la fuente fría \(\left(Q_{F}\right)\) consumiendo poca energía en forma de trabajo \((W)\).

¿Máquina térmica o refrigerador?

Tenga en cuenta que el objetivo de la máquina térmica es realizar trabajo

\(W_{M á q u i n a}>0\)

Sólo que para hacer eso necesita sacar energía de algún lugar: la Fuente Caliente!

El refrigerador es lo contrario, queremos sacar calor de la fuente fría!

Pero ¿cómo hacerlo si lo espontáneo del calor es entrar en un lugar frío y no salir? Recibiendo energía en forma de trabajo de algún lugar!

\(W_{\text {refrigerador}}<0\)

Simple, ¿no? ¿#VamosALosEjercicios?