Una máquina térmica toma calor Q₁ de un foco caliente, convierte solo una parte en trabajo W y cede el resto, Q₂, a un foco frío.
Por eso el trabajo realizado es W = Q₁ − Q₂, y el rendimiento e = W/Q₁, la parte del calor absorbido que se convierte en trabajo, es siempre menor que 1.
Esto se debe a que, según el segundo principio de la termodinámica, el calor cedido nunca puede ser 0.
Al mover el deslizador del calor cedido Q₂ cambian a la vez las tres flechas, cuyo grosor es proporcional a la energía, y el rendimiento.
Solo una parte del calor se convierte en trabajo
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Una máquina térmica que toma Q₁ del foco caliente, realiza el trabajo W y cede Q₂ al foco frío; el grosor de las flechas es proporcional a la energía
300 J
👀 Cómo leer la figura
①La máquina toma calor Q₁ del foco caliente
②Convierte solo una parte en trabajo W y cede el resto, Q₂, al foco frío
③Los grosores de las dos flechas de salida suman el grosor de la flecha Q₁
④Cuanto menos calor se cede, mayor es el rendimiento; incluso con el valor mínimo del deslizador, 40 J, el rendimiento no llega a 1
Trabajo y rendimiento
Trabajo realizado por la máquina
W = Q1 − Q2
La máquina realiza un trabajo igual al calor absorbido menos el calor cedido
Rendimiento térmico
e = WQ1 = 1 − Q2Q1
La parte del calor absorbido que se convierte en trabajo, un valor entre 0 y 1
El segundo principio de la termodinámica
🚫 El rendimiento no puede ser 1
①El calor cedido Q₂ no puede ser 0 (segundo principio de la termodinámica)
②Por tanto, el rendimiento e es siempre menor que 1
③No existe ninguna máquina que convierta en trabajo el 100% del calor que absorbe
④Las temperaturas de los focos caliente y frío fijan el límite superior del rendimiento
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1
Una máquina térmica absorbe 400 J del foco caliente y cede 300 J al foco frío. Halla el trabajo realizado y el rendimiento.
1
El trabajo realizado es W = Q₁ − Q₂.
W = 400 − 300 = 100 J
2
El rendimiento es e = W/Q₁.
e = 100400 = 0,25
▸ W = 100 J, e = 0,25 (25%)
Se divide por el calor absorbido Q₁; dividir por el calor cedido Q₂ da un resultado erróneo.
Ejemplo 2
Una máquina de rendimiento 0,3 absorbe 600 J. Halla el trabajo realizado y el calor cedido.
1
El trabajo se halla con W = e × Q₁.
W = 0,3 × 600 = 180 J
2
El calor cedido es Q₂ = Q₁ − W.
Q2 = 600 − 180 = 420 J
▸ W = 180 J, Q₂ = 420 J
Conociendo el rendimiento y el calor absorbido, el trabajo y el calor cedido salen enseguida.
Resumen
Ideas clave
W = Q1 − Q2, e = WQ1 = 1 − Q2Q1 < 1
El trabajo es el calor absorbido menos el cedido, y el rendimiento es ese trabajo dividido entre el calor absorbido, siempre menor que 1
Tipo de examen CSAT 2020 Ciencias (Física I), adaptado
Una máquina de rendimiento 40% realiza 200 J de trabajo en cada ciclo. ¿Cuánto calor absorbió del foco caliente?
①300 J
②400 J
③500 J
④600 J
⑤800 J
▸ ③ 500 J
1
De e = W/Q₁ se obtiene Q₁ = W/e.
Q1 = We = 2000,4
2
Se sustituyen los valores y se calcula.
Q1 = 500 J
🎯 Puntos clave del examen
①W = Q₁ − Q₂: calor absorbido menos calor cedido
②e = W/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁
③Se divide por el calor absorbido, no por el cedido
④Por el segundo principio, e < 1
⑤Conociendo dos cualesquiera de W, Q₁, Q₂ y e, quedan fijados los demás