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Máquinas térmicas, bombas de calor y rendimiento de Carnot

FísicaFísica térmica y gasesEdades 17–18

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Usar con mi clase

Un gas ideal recorre un ciclo de Carnot, Otto o Diesel entre un foco caliente a T_h y un foco frío a T_c en un diagrama p–V. Un diagrama de Sankey muestra el calor absorbido Q_h, el trabajo W y el calor cedido Q_c; el rendimiento η = W/Q_h siempre queda por debajo del límite de Carnot 1 − T_c/T_h, y se indica la variación de entropía ΔS = Q/T de cada foco. El modo inverso convierte el ciclo en un refrigerador o una bomba de calor con su coeficiente de eficiencia.

Lección: Máquinas térmicas y segundo principio de la termodinámica

Qué muestra

Una máquina térmica toma calor Q_h de un foco caliente, transforma una parte en trabajo W y cede el resto, Q_c, a un foco frío. Su rendimiento η = W/Q_h nunca llega al 100 %: es el enunciado de Kelvin–Planck del segundo principio. La mejor máquina posible entre las temperaturas T_h y T_c (en kelvin) es la máquina reversible de Carnot, con η = 1 − T_c/T_h. Si el ciclo funciona al revés, se convierte en un refrigerador o una bomba de calor. El modelo usa 0,040 mol de gas ideal y procesos lentos y reversibles; Otto y Diesel son ciclos de aire estándar.

Cómo usarla

Elige el Ciclo y el Gas, ajusta la Temperatura del foco caliente T_h y la Temperatura del foco frío T_c, y observa cómo el gas recorre el ciclo p–V. Pulsa Registrar ciclo para añadir el ciclo actual a la tabla y al gráfico; repite con otras temperaturas. Añade Pérdidas para ver una máquina real. Abre la pestaña Refrigerador / bomba de calor para ver el coeficiente de eficiencia y después abre Tareas de autocomprobación.

Parámetros que puedes cambiar

  • Modo Máquina térmica, Refrigerador / bomba de calor
  • Ciclo Carnot, Otto (motor de gasolina), Diesel
  • Temperatura del foco caliente T_h 250–2500 K
  • Temperatura del foco frío T_c 200–600 K
  • Razón de expansión isotérmica (Carnot) 1,5–5
  • Relación de compresión (Otto, Diesel) 2–25
  • Gas Aire, Gas monoatómico
  • Pérdidas (rozamiento, fugas de calor) 0–40 %

Preguntas para explorar

  1. ¿Por qué ninguna máquina que funcione entre 600 K y 300 K puede tener un rendimiento mayor del 50 %?
  2. ¿Cómo cambia el rendimiento de un motor Otto cuando aumenta la relación de compresión r?
  3. ¿Por qué una bomba de calor funciona mejor cuando el aire exterior está solo un poco más frío que la habitación?

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