Una máquina térmica es un dispositivo que convierte calor en trabajo operando en un ciclo entre una fuente de calor y un sumidero. Funciona absorbiendo calor de una fuente a alta temperatura, convirtiendo parte de ese calor en trabajo, y descargando el calor restante a un sumidero a baja temperatura. La eficiencia de una máquina térmica se define como el trabajo neto producido dividido por el calor absorbido.

1. Máquinas térmicas
Profesor. Rubén Rodríguez A. Sistemas Térmicos
Sem 01-2013
Santiago de Chile

2. Una máquina térmica es:
un dispositivo que permite convertir calor en trabajo, y
presentan las siguientes características:
-- Reciben calor de una fuente externa de elevada
temperatura.
-- convierten parte del calor en trabajo
-- liberan calor de desecho a un sumidero de baja
temperatura
-- operan en un ciclo – mecánico o termodinámico

3. Ejemplo:
Central eléctrica de vapor:
𝑄 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

4. La eficiencia o rendimiento térmico de una máquina térmica es
la relación entre la salida del trabajo neto (energía solicitada) y la
entrada de calor (energía requerida), así:
Ƞ =
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑠𝑎𝑙
𝑄 𝑒𝑛
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑠𝑎𝑙 = 𝑊𝑠𝑎𝑙 − 𝑊𝑒𝑛
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑠𝑎𝑙 = 𝑄 𝑒𝑛 − 𝑄𝑠𝑎𝑙
Ƞ = 1 −
𝑄 𝑠𝑎𝑙
𝑄 𝑒𝑛
La eficiencia térmica es siempre menor que 1.

5. Segundo principio de la termodinámica:
Teorema de Carnot: ninguna máquina operando entre dos temperaturas
dadas posee un rendimiento superior al de una máquina de Carnot que
funcionase entre las mismas temperaturas.

6. Enunciado de Kelvin-Planck: No es posible ninguna transformación
termodinámica cuyo único resultado sea la absorción de calor de un solo foco
y la producción de una cantidad equivalente de trabajo.
Enunciado de Clausius: no es posible ningún proceso espontáneo cuyo único
resultado sea el paso de calor de un recinto a otro de mayor temperatura.
Teorema de Clausius (Entropía): sea un sistema que verifica una
transformación cíclica durante la cual intercambia calor con una serie de
recintos a las temperaturas 𝑇1, … 𝑇𝑛. Llamemos 𝑄1, … 𝑄 𝑛 las cantidades
respectivas de calor intercambiadas por el sistema, se verifica entonces que:
∆𝑆 =
𝑄𝑖
𝑇𝑖
𝑛
𝑖
∆𝑆 =
𝛿𝑄𝑖
𝑇𝑖

7. Ejercicios:
1. Si queremos que la temperatura de un edificio
tenga una temperatura media de 18°C, su
sistema frigorífico esta obligado a extraer de su
interior 600 cal/s, mientras consume un trabajo
eléctrico de 1KW. Determine el incremento de
entropía por segundo que sufre el universo
debido al acondicionamiento del edificio
sabiendo que el ambiente externo se encuentra
a 35°C.

8. 2. Una máquina térmica se encuentra
funcionando entre un depósito que tiene
1𝑥103 𝑚3 agua y un río a temperatura constante
de 10°C. Si la temperatura inicial del depósito es
de 100°C, ¿cuál es la cantidad máxima de
trabajo que puede realizar la máquina térmica?

9. 3. Un número de moles (n) de un gas ideal que
experimenta una expansión libre y adiabática en
el vacío (experimento de Joule). Expresar en
términos de la temperatura y volumen inicial y
final el incremento de entropía del sistema.
Calcular cuanto vale la entropía molar si el
volumen final es doble que el volumen inicial.

10. 4. Un cilindro vertical de paredes adiabáticas y
provisto de un pistón no conductor del calor,
está dividido por una pared fija y diatérmica. La
parte superior contiene 10 moles de un gas ideal
y la inferior una mezcla en equilibrio a 1.013 bar
de 100 g de agua y 100 g de hielo. Se introduce
lentamente el pistón hacia dentro hasta que la
presión del gas se duplica. ¿Cuál es la variación
de entropía del gas, de la mezcla y del universo
en este proceso?

11. 5. Se tiene una máquina (térmica reversible) que
funciona entre tres focos (térmicos) de
temperaturas 𝑇1 = 500𝐾 , 𝑇2 = 400𝐾 y
𝑇3 = 300𝐾 (tomando calor de los dos primeros
y desprendiendo calor al tercero). Si en un ciclo
realiza un trabajo de 3616KJ y del primer foco
absorbe la cantidad de 𝑄1 = 2926𝐾𝐽, calcule:
a) Las cantidades de calor intercambiadas con
los otros dos focos.
b) El rendimiento del ciclo.