¿Qué tienen en común un motor térmico y una máquina frigorífica? A priori, la respuesta más lógica parece ser que no tienen nada en común. Sin embargo, se encuentran muy relacionados. En realidad, ambos son máquinas térmicas que permiten realizar transformaciones de energía, para generar trabajo útil en el caso del motor y para reducir la temperatura de un recinto en el caso de la máquina frigorífica. En ambos casos, se consigue el objetivo mediante una serie de procesos que conforman un ciclo termodinámico. El que se realicen sus etapas en una u otra dirección determinará que opere como un motor térmico o como una máquina frigorífica. En el experimento virtual que se detalla a continuación, se trata uno de los ciclos más sencillos en termodinámica: el ciclo de Carnot.
En primer lugar, una máquina térmica es un dispositivo que permite convertir repetidamente calor en trabajo o extraer calor de sistema termodinámico a baja temperatura cediéndolo a otro de mayor temperatura. Para su funcionamiento, una máquina térmica debe estar en contacto con dos sistemas termodinámicos a distinta temperatura. Dependiendo del sentido en que se recorra el ciclo se puede diferenciar esencialmente entre dos tipos de máquinas térmicas: motor térmico o máquina frigorífica. En el siguiente experimento virtual se ilustra el funcionamiento de una máquina térmica que opera según un ciclo de Carnot. Para ello, se considera un gas ideal monoatómico que realiza de forma cíclica los siguientes procesos para cada situación:
Motor térmico: Expansión isoterma, expansión adiabática, compresión isoterma y compresión adiabática.
Máquina frigorífica: Expansión adiabática, expansión isoterma, compresión adiabática y compresión isoterma.
La caracterización de la situación física viene dada en función de una serie de datos de entrada:
Botón de motor o máquina frigorífica: permite la selección del modo de operación del dispositivo.
T1: Es la temperatura de operación del foco caliente. Viene dada en Kelvin.
T2: Es la temperatura del foco frío. Viene dada en Kelvin.
Vmín: Es el volumen mínimo que alcanza el fluido que realiza el ciclo. Es el volumen desde el que se comienza y hasta el que se llega tras la última compresión de cada ciclo. Viene expresado en litros.
Vmáx: Es el volumen máximo que alcanza el fluido en el ciclo. Viene expresado en litros.
N: Es el número de moles del gas ideal que lleva a cabo el ciclo. Es una cantidad adimensional.
El programa calcula, a partir de los datos de entrada anteriores, los siguientes datos de salida:
Trabajo del ciclo: Es el trabajo que se obtiene en cada ciclo (motor) o que hay que realizar sobre él (máquina frigorífica). No se tiene en cuenta la repetición del ciclo. Es decir, en cada ciclo que realiza la máquina se muestra el trabajo realizado (o consumido) para ese ciclo individual (sin tener en cuenta que se va acumulando al trabajo de ciclos anteriores). Es un valor positivo o negativo según se trate de motor o máquina frigorífica. Viene expresado en Julios. Cabe citar que se ha empleado el convenio de signos según el cual el trabajo positivo será el realizado por la máquina y el negativo el llevado a cabo por ella.
Trabajo instantáneo: Es el trabajo acumulado en el punto del ciclo en el que se encuentre en cada momento el fluido de trabajo. Viene dado en Julios.
Rendimiento/ Eficiencia: según se opere como motor o como máquina frigorífica se mostrará uno u otro. Es una magnitud adimensional.
Se sugieren algunos parámetros para la simulación:
Motor:
T1=400, T2=300, Vmín=3, Vmáx=8, N=30
Frigorífico
T1=400, T2=300, Vmín=3, Vmáx=8, N=30
¿Qué se concluye de la forma de las gráficas U frente a V y T frente a V?
En el modo motor, ¿de qué parámetros depende que se obtenga un mayor o menor trabajo por ciclo?
¿En qué se diferencia el rendimiento y la eficiencia? ¿Qué valores puede tomar cada uno?