¿Qué es una máquina térmica? Explicación y ejercicios resueltos

Summary

Este video explora el funcionamiento de las máquinas térmicas, dispositivos que convierten parcialmente el calor en trabajo mecánico. Se explican diferentes tipos de máquinas, como los motores de combustión interna y las máquinas de Stirling, detallando sus etapas de operación: compresión, absorción de calor, expansión y expulsión de calor. También se abordan conceptos clave como la eficiencia, destacando la eficiencia teórica máxima de la máquina Carnot. A través de ejemplos prácticos y ejercicios, el video facilita la comprensión de cómo la energía térmica se transforma en trabajo y los límites de esa conversión.

Takeaways

• 😀 Las máquinas térmicas convierten parcialmente la energía térmica en trabajo mecánico, transformando calor en energía cinética y potencial.
• 😀 En un ejemplo básico, el calor de una fuente externa produce vapor que impulsa un tambor, transformando energía térmica en energía cinética de rotación.
• 😀 La eficiencia de las máquinas térmicas no es del 100%, ya que parte del calor se pierde, principalmente a través de las tuberías y vapor que escapa.
• 😀 Los motores de combustión interna producen trabajo al quemar una mezcla de aire y combustible, causando una explosión que impulsa un pistón.
• 😀 Todas las máquinas térmicas funcionan con una sustancia de trabajo, que puede ser gas, vapor de agua o mezcla de aire y combustible.
• 😀 Las máquinas térmicas operan en cuatro etapas: compresión, absorción de calor, expansión y expulsión de calor.
• 😀 La conservación de la energía en las máquinas térmicas implica que el calor suministrado es igual al trabajo realizado más el calor expulsado al ambiente.
• 😀 La eficiencia de una máquina térmica se calcula dividiendo el trabajo realizado entre el calor suministrado, con un valor siempre menor a 1.
• 😀 La eficiencia máxima teórica de una máquina térmica está determinada por la temperatura de los focos caliente y frío, usando la fórmula: eficiencia = 1 - (Temperatura del foco frío / Temperatura del foco caliente).
• 😀 En el análisis de un motor de combustión interna, si se absorben 8 kilos de calor y se produce un trabajo de 2 kilos, la eficiencia sería del 25%.
• 😀 La potencia de un motor de combustión interna se calcula multiplicando el trabajo por unidad de tiempo; un motor que realiza 30 ciclos por segundo tiene una potencia de 60 kW o 80 caballos de fuerza.

Q & A

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un dispositivo mecánico que transforma parcialmente el calor en trabajo mecánico, convirtiendo energía térmica en energía cinética y potencial.

¿Cómo se produce el calor en una máquina térmica como la mostrada en el video?

El calor se produce mediante combustión externa, donde una llama calienta un recipiente que contiene agua, lo que genera vapor que impulsa un tambor, transformando la energía térmica en trabajo mecánico.

¿Qué sucede con la eficiencia de las máquinas térmicas?

La eficiencia de las máquinas térmicas no es del 100%, ya que una parte de la energía térmica se pierde al ambiente, principalmente por calor que se pierde a través de las tuberías y por el vapor que se expulsa.

¿Cómo funciona un motor de combustión interna?

En un motor de combustión interna, la combustión de una mezcla de aire y combustible produce una explosión que mueve un pistón, convirtiendo la energía térmica en trabajo mecánico a través de la rotación del pistón.

¿Cuáles son las cuatro etapas comunes en todas las máquinas térmicas?

Las cuatro etapas comunes son: compresión del gas o vapor, absorción de calor, expansión del gas o vapor, y expulsión de calor al ambiente.

¿Qué es la eficiencia de una máquina térmica y cómo se mide?

La eficiencia se mide como el trabajo realizado dividido entre el calor suministrado. Su fórmula es: eficiencia = 1 - (calor expulsado / calor suministrado).

¿Qué es una máquina de Stirling y cómo funciona?

Una máquina de Stirling utiliza un gas encerrado entre dos pistones herméticos. El gas se expande cuando se calienta y produce trabajo en un pistón, y luego se enfría, causando un vacío que genera trabajo adicional en el otro pistón.

¿Qué fórmula teórica se usa para calcular la eficiencia máxima de una máquina térmica?

La eficiencia máxima de una máquina térmica se calcula mediante la fórmula: eficiencia = 1 - (temperatura del foco frío / temperatura del foco caliente), donde las temperaturas deben medirse en kelvin.

En el ejemplo del motor de combustión interna, ¿cómo se calcula la potencia del motor?

La potencia se calcula multiplicando el trabajo realizado en cada ciclo (2 kilos) por la cantidad de ciclos por segundo (30 ciclos/segundo), lo que da como resultado una potencia de 60.000 vatios o 80 caballos de fuerza.

¿Cuál es la eficiencia de una máquina Carnot funcionando entre dos fuentes con temperaturas de 227°C y 77°C?

La eficiencia de esta máquina Carnot se calcula transformando las temperaturas a kelvin (500 K y 350 K). Usando la fórmula de eficiencia, obtenemos una eficiencia del 30%.