Máquinas térmicas

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Los motores térmicos en termodinámica se denominan motores térmicos de funcionamiento periódico y bombas de calor (termocompresores). Los enfriadores son un tipo de bomba de calor . [una]

La elección del principio de funcionamiento de un motor térmico se basa en la exigencia de continuidad del proceso de trabajo y su duración ilimitada. Este requisito es incompatible con un cambio dirigido unilateralmente en el estado de un sistema termodinámico, en el que sus parámetros cambian monótonamente. La única forma practicable de cambio de sistema que satisface este requisito es un proceso circular o un ciclo circular que se repite periódicamente. Para el funcionamiento de un motor térmico son necesarios los siguientes componentes: una fuente de calor con un nivel de temperatura superior , una fuente de calor con un nivel de temperatura inferior y un fluido de trabajo.

Los motores térmicos convierten el calor en trabajo. En los motores térmicos, una fuente con un nivel de temperatura más alto se llama calentador y una fuente con un nivel de temperatura más bajo se llama refrigerador. La necesidad de un calentador y un fluido de trabajo por lo general está fuera de toda duda, pero en cuanto al refrigerador, como parte estructural de un motor térmico, puede estar ausente. En este caso, su función la realiza el medio ambiente, por ejemplo, en los vehículos. En los motores térmicos se utiliza un ciclo directo A , cuyo esquema se muestra en la Fig. 1. La cantidad de calor proviene de la fuente de temperatura más alta, el calentador , y se desvía parcialmente a la fuente de temperatura más baja, el refrigerador .

El trabajo realizado por una máquina térmica, según la primera ley de la termodinámica, es igual a la diferencia entre las cantidades de calor suministradas y retiradas :

A = q una − q 2 {\displaystyle A=Q_{1}-Q_{2}}

El coeficiente de rendimiento (COP) de un motor térmico es la relación entre el trabajo realizado y la cantidad de calor suministrado desde el exterior: [2]

η = A q una = una − q 2 q una {\displaystyle \eta ={\dfrac {A}{Q_{1}}}=1-{\dfrac {Q_{2}}{Q_{1}}}}

Las enfriadoras y las bombas de calor utilizan el ciclo inverso -B . En este ciclo, el calor se transfiere desde la fuente de temperatura más baja a la fuente de temperatura más alta (Fig. 1). Para implementar este proceso, el trabajo externo de entrada se gasta :

A = q una − q 2 {\displaystyle A=Q_{1}-Q_{2}}

La eficiencia de las máquinas de refrigeración está determinada por el valor del coeficiente de refrigeración, igual a la relación entre la cantidad de calor tomado del cuerpo enfriado y el trabajo mecánico gastado  :


ϵ X = q 2 A {\displaystyle \epsilon _{x}={\dfrac {Q_{2}}{A}}}


El refrigerador puede usarse no solo para enfriar varios cuerpos, sino también para calentar espacios. De hecho, incluso un refrigerador doméstico común, mientras enfría los productos que se colocan en él, calienta simultáneamente el aire de la habitación. El principio de funcionamiento de las bombas de calor modernas es utilizar el ciclo inverso de un motor térmico para bombear calor del ambiente a una habitación calentada. La principal diferencia entre una bomba de calor y una máquina de refrigeración es que la cantidad de calor se suministra al cuerpo calentado, por ejemplo, al aire de una habitación calefaccionada, y la cantidad de calor se extrae de un ambiente menos calentado.


La eficiencia de una bomba de calor se caracteriza por el coeficiente de conversión (transformación) o, como suele llamarse, el coeficiente de calentamiento , que se define como la relación entre la cantidad de calor recibida por el cuerpo calentado y el trabajo mecánico gastado para ello. , o el trabajo de la corriente eléctrica :

ϵ o = q una A {\displaystyle \epsilon _{o}={\dfrac {Q_{1}}{A}}}

Dado que , establecemos una relación entre los coeficientes de calefacción y refrigeración de la instalación:

ϵ o = ϵ X + una {\displaystyle \epsilon _{o}=\epsilon _{x}+1}

Dado que la cantidad de calor que se extrae del ambiente siempre es diferente de cero, la eficiencia de la bomba de calor, de acuerdo con su definición, será mayor que uno. Este resultado no contradice la segunda ley de la termodinámica, que prohíbe la conversión completa de calor en trabajo, pero no el proceso inverso de conversión completa de calor en trabajo. La ventaja de una bomba de calor en comparación con un calentador eléctrico es que no solo la electricidad convertida en calor se usa para calentar espacios, sino también el calor tomado del ambiente. Por este motivo, la eficiencia de las bombas de calor puede ser muy superior a la de los calentadores eléctricos convencionales. [3]

Véase también

Notas

  1. ↑ Belokon NI, 1954 , p. 117.
  2. ↑ Savelyev IV, 1989 , p. 300.
  3. ↑ Kirillin V. A., 1983 , p. 366.

Literatura