Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

Aun cuando la escala termodinámica de temperatura se define con la ayuda
de las máquinas térmicas reversibles, no es posible ni práctico operar en realidad
tal máquina para determinar valores numéricos sobre la escala de temperatura
absoluta. Las temperaturas absolutas se pueden medir de modo exacto
por otros medios, como el termómetro de gas ideal de volumen constante junto
con extrapolaciones técnicas, como se explicó en el capítulo 1. La validez de
la ecuación 6-16 se puede demostrar a partir de consideraciones físicas para
un ciclo reversible que usa un gas ideal como fluido de trabajo.
6-10 ■ LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
La hipotética máquina térmica que opera en el ciclo reversible de Carnot
se llama máquina térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier
máquina térmica, reversible o irreversible, se determina mediante la ecuación
6-6 como
h ter 1 Q L
Q H
305
CAPÍTULO 6
Depósito de calor
T
Q H
MT
de Carnot
Q L
273.16 K (asignado)
Agua en el punto triple
T = 273.16 –––
Q H
Q L
W
donde Q H es el calor transferido hacia la máquina térmica desde un depósito
a temperatura alta a T H , y Q L es el calor rechazado hacia un depósito de
temperatura baja a T L . Para máquinas térmicas reversibles, la relación de transferencia
de calor en la relación anterior se puede reemplazar por la de temperaturas
absolutas de los dos depósitos, según la expresión de la ecuación 6-16.
Entonces la eficiencia de una máquina de Carnot, o de cualquier máquina térmica
reversible, se convierte en
FIGURA 6-45
Planteamiento conceptual del experimento
para determinar las temperaturas
termodinámicas en la escala Kelvin con
la medición de las transferencias de calor
Q H y Q L .
h ter,rev 1 T L
T H
(6–18)
Esta relación se denomina eficiencia de Carnot porque la máquina térmica
de Carnot es la máquina reversible mejor conocida. Ésta es la eficiencia
máxima que puede tener una máquina térmica que opera entre los dos depósitos
de energía térmica a temperaturas T L y T H (Fig. 6-46). Todas las máquinas
térmicas irreversibles (es decir, reales) que operan entre estos límites de
temperatura (T L y T H ) tienen eficiencias menores. Una máquina térmica real
no puede alcanzar esta máxima eficiencia teórica porque es imposible eliminar
por completo las irreversibilidades relacionadas con el ciclo real.
Observe que T L y T H en la ecuación 6-18 son temperaturas absolutas. Si
se utiliza °C o °F para las temperaturas en esta relación se obtienen resultados
con mucho error.
Las eficiencias térmicas de las máquinas térmicas reales y reversibles que
operan entre los mismos límites de temperatura se comparan (Fig. 6-47):
6 h ter,rev máquina térmica irreversible
h ter • h ter,rev máquina térmica reversible
7 h ter,rev máquina térmica imposible
(6–19)
La mayor parte de los dispositivos que producen trabajo (máquinas térmicas)
utilizados en la actualidad tienen eficiencias menores a 40 por ciento, lo
cual parece bajo en comparación con el 100 por ciento. Sin embargo, cuando
se evalúa el desempeño de las máquinas térmicas reales, las eficiencias no
deben compararse con el 100 por ciento, sino con la eficiencia de una máquina
térmica reversible que opera entre los mismos límites de temperatura, porque
éste es el límite superior teórico para la eficiencia, no el 100 por ciento.
Depósito de alta temperatura
a T H = 1 000 K
Q H
MT
de Carnot
η ter = 70%
Q L
W neto,salida
Depósito de baja temperatura
a T L = 300 K
FIGURA 6-46
La máquina térmica de Carnot es la más
eficiente de todas las máquinas térmicas
que operan entre los mismos depósitos a
temperaturas alta y baja.