Segundo principio de la Termodinámica

Una de las consecuencias más importantes, desde el punto de vista de la ingeniería del segundo principio, es la limitación en el rendimiento de las máquinas térmicas. En efecto el segundo principio impone que las máquinas térmicas deben intercambiar calor de al menos dos focos, absorbiendo calor de un foco caliente a temperatura T1 y cediendo calor a un foco frío a temperatura T2. 

De esta forma se enunció el segundo principio de la termodinámica, como:

“No es posible lograr un proceso en el que el único efecto resultante sea la transmisión de calor desde un sistema frío a otro caliente”, 

y en función de una máquina cíclica: 

“Es imposible que una máquina cíclica produzca exclusivamente el efecto de hacer pasar continuamente calor desde un cuerpo a otro que tenga una temperatura más elevada”. (ENUNCIADOS DE CLAUSIUS).

También, una consecuencia importante del segundo principio es que: 

“No es posible la existencia de un proceso cuyo único efecto sea el de tomar calor de un sistema a temperatura elevada y convertirlo íntegramente en trabajo” (ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK).

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un dispositivo que absorbe una cantidad de calor Q y lo transforma en energía mecánica macroscópica en forma útil mediante la realización de un trabajo W.


Una máquina térmica real toma una cantidad de calor Q1 de una fuente de temperatura elevada T1; parte la devuelve a una fuente fría (Q2) cuya temperatura es T2 y el resto se aprovecha como trabajo W = Q1 - Q2.

 

Estudio termodinámico del motor Stirling: Ciclo termodinámico

Se define máquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y la del foco frío.


Ciclo ideal

El ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos isotérmicos y dos isométricos; la regeneración se efectúa a volumen constante, tal como se muestra en el gráfico siguiente:

 

Ciclo real

El resultado final, en una máquina real, es un ciclo “redondeado” en forma de elipse, debido a la inexistencia de mecanismos que realicen movimientos ideales de pistón y desplazador para la realización del ciclo y, a la dificultad de obtener los ciclos puramente isotérmicos.

 

Eficiencia térmica o rendimiento ( η ) del ciclo

Se define el rendimiento de una máquina térmica de ciclo directo -con sentido de flujo de calor absorbiendo calor del foco caliente y cediéndolo al frío- al cociente entre el trabajo producido por la máquina y el calor absorbido de la fuente caliente. 

 

La eficiencia térmica del ciclo Stirling se calcula de y con la siguiente expresión:

 

 

Así, el rendimiento η del ciclo Stirling ideal, también se calcula atendiendo al concepto de rendimiento de un motor térmico, por lo tanto:

 

Si consideramos que el motor térmico es ideal, entonces:

                                                                   Donde:

                                                                                                 

 

En general de acuerdo con el segundo principio de la Termodinámica, se tiene que:

 
Con esto queda demostrado que el ciclo ideal Stirling tiene la misma eficiencia que el ciclo de Carnot, la cual es la máxima eficiencia que puede alcanzar una maquina térmica considerando que todas las perdidas sean cero.