Aplicaciones de los estudios sobre el calor

La evolución de la humanidad ha estado estrechamente ligada a la utilización de la energía en sus diferentes formas.

    El descubrimiento, producción y control del fuego marcan el primer acontecimiento importante en la historia de la humanidad. A partir de esta experiencia el hombre ha encontrado nuevas fuentes de energía o formas distintas de aprovecharla, las cuales le han permitido lograr grandes progresos en su evolución, cultura, alimentación, etcétera.

    En la década 1930-40, un grupo de científicos llevaron a cabo experimentos que culminaron con la fisión o ruptura de los núcleos del átomo de uranio-235, logrando que una pequeña parte de materia se transformara en energía.

   Con la tecnología actual, la energía liberada en la fisión mediante reactores nucleares se utiliza, entre otras cosas, para la producción de energía eléctrica mediante pérdidas y ganancias de calor. En la República Mexicana existen dos reactores nucleares que operan en Laguna Verde, Veracruz, y cuentan con una potencia de generación de 1 300 megawatts.

    Asimismo, por medio de la captación de rayos solares en fotoceldas, el hombre ha transformado la energía solar en energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos transforman directamente la energía solar en electricidad. En México existen más de 2 mil sistemas fotovoltaicos instalados en diversas poblaciones, los cuales se aplican en alumbrado, telecomunicaciones y otros usos.

    Mediante sistemas solares fototérmicos la energía solar se utiliza para calentar agua; por ejemplo: el Centro Hospitalario 20 de Noviembre del ISSSTE, en la Ciudad de México, cuenta con un sistema fototérmico de alta tecnología que puede calentar –según la época del año– diariamente 80 mil litros de agua a 50 °C.

    Otra forma de generar energía eléctrica con base en el calor es la geotermia, que consiste en la captación y transformación del calor interno de la Tierra para obtener energía eléctrica.

    México, por encontrarse en una zona de gran actividad volcánica, cuenta con importantes zonas geotérmicas, destacando las de los estados de Baja California, Hidalgo y Michoacán.

    De esta forma, los estudios acerca del calor tienen numerosas aplicaciones prácticas en ingeniería, arquitectura y ecología, entre otras.

Máquinas térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte la energía térmica en trabajo mecánico. La máquina de vapor y el motor de gasolina de los automóviles son ejemplos.

Máquina de vapor

La máquina de vapor consta de una caldera en la que se produce el vapor de agua, el cual se conduce a través de un tubo hasta el cilindro donde se expande empujando el émbolo o pistón.

Máquina de vapor.

    Mediante la biela, el movimiento de vaivén del pistón se transforma en movimiento de rotación de la rueda. Ésta gira completamente y en forma por un sistema de válvulas.

    El vapor de la caldera entra al cilindro y empuja al pistón. Cuando el pistón concluye su recorrido, la válvula deslizante cambia de posición; entonces el vapor entra por otro conducto empujando al pistón hacia la izquierda. El vapor utilizado sale por la válvula y pasa a un depósito frío, donde se condensa. Después, el agua pasa nuevamente a la caldera y el ciclo se repite para mantener la rueda en rotación.

Motores de combustión internaMotores de combustión interna.

A diferencia de las máquinas de vapor, los motores de los automóviles producen la expansión de gases quemando combustible. Los motores más utilizados son los de gasolina y de diesel. En estas máquinas térmicas, los gases de la combustión se expanden rápidamente efectuando un trabajo.

    De este tipo de máquinas, la más común es el motor de gasolina de cuatro tiempos, en el cual la gasolina evaporada, mezclada con aire por el carburador o inyector y colocada en la cámara de expansión, explota mediante una chispa eléctrica producida por una bujía. La energía térmica genera trabajo en el momento que los gases ejercen presión sobre el pistón.

Conversión parcial del calor en trabajo

El rendimiento o eficiencia de una máquina es la relación entre el trabajo útil que produce y la energía suministrada. El concepto de eficiencia se aplica a todas las máquinas, desde la palanca, la polea o la prensa hidráulica hasta las centrales nucleares.

    La máquina de mayor eficiencia es la que convierte una cantidad de energía en el máximo trabajo útil. No existe una máquina térmica que proporcione un rendimiento de 100%. Es decir, no hay mecanismo en que pueda transformarse completamente el calor en trabajo mecánico; la mayoría sólo reditúa una proporción muy baja; por ejemplo: en la máquina de vapor convencional, la energía de los combustibles se transfiere de un depósito caliente (el fogón) a uno frío (el condensador). Durante esta transferencia, parte de la energía se convierte en trabajo útil al empujar el pistón y el resto –la que tiene el vapor que sale caliente del cilindro–, se pasa al ambiente circundante y al depósito de baja temperatura.

    Se necesitan depósitos a diferente temperatura para que pueda funcionar una máquina térmica pues sin ellos la presión del vapor sería igual en ambos lados del pistón, se mantendría en equilibrio y, en consecuencia, no realizaría trabajo. Por tanto, en un proceso cíclico, sólo es posible obtener trabajo si los depósitos tienen diferente temperatura.

    Los científicos, después de muchos experimentos y estudios, han llegado a concluir que es imposible construir una máquina térmica que reditúe 100% de eficiencia. Esta deducción constituye una de las leyes fundamentales de la naturaleza:

    Es imposible construir una máquina térmica que, al operar en un ciclo, transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.

El funcionamiento del refrigerador

El fundamento de la refrigeración se basa en que al evaporarse un líquido toma el calor de los cuerpos que lo rodean.

Corte lateral de un refrigerador.

    Así, un refrigerador es una máquina térmica que funciona en sentido inverso; es decir, si el calor se transfiere de manera natural desde un depósito de alta a uno de baja temperatura, un refrigerador transfiere el calor de un depósito de baja temperatura (el compartimento para alimentos) a uno de alta temperatura (el aire de la cocina); pero esto sólo se logra mediante el trabajo externo suministrado por un motor (compresor) eléctrico.

    Por medio del motor se disminuye la presión del líquido refrigerante, hasta llegar a tal punto que el líquido se evapora tomando calor del interior del refrigerador. Como consecuencia, los alimentos se enfrían. Cuando el refrigerante en estado gaseoso se transforma nuevamente en líquido, disipa calor, lo cual ocurre en un condensador que está siempre fuera del compartimento para alimentos.

    Hasta hace poco tiempo se utilizaban como refrigerantes los clorofluorocarbonos; pero los estudios recientes de un equipo de científicos, entre quienes destaca el doctor Mario Molina Henríquez, premio Nobel de química 1995, descubrieron que dichas sustancias destruyen la capa de ozono que se encuentra a 30 km sobre la superficie terrestre y que protege a los seres vivos de los rayos ultravioleta provenientes del Sol.

    Como parte de la campaña mundial para proteger la capa de ozono, se han diseñado refrigeradores en los que se utiliza una mezcla de propano y butano o isobutano como refrigerante, la cual no representa ningún peligro. El ciclo del refrigerante por el sistema de un refrigerador ordinario sigue este trayecto:

  • El compresor suministra trabajo externo para que el calor sea transferido del depósito de baja temperatura hacia el depósito de alta temperatura. El refrigerante, en estado gaseoso, es impulsado a alta temperatura y presión hacia el condensador.
  • En el condensador el refrigerante se enfría por medio del aire de un ventilador hasta convertirse en líquido y pasa por la válvula de estrangulamiento hacia el evaporador. El condensador es el depósito de alta temperatura y el calor se disipa en el entorno circundante.
  • En la válvula de estrangulamiento el refrigerante a alta presión pasa por la válvula a la región de baja presión, por lo que se expande, vaporizándose parcialmente y reduciendo su temperatura. Después pasa al evaporador.
  • En el evaporador el refrigerante pasa por los serpentines, colocados generalmente en el depósito para el hielo y absorbe calor de los cuerpos. Este calor hace que el refrigerante se evapore completamente y luego pasa al compresor, reiniciando el ciclo de enfriamiento.

 

 

 

 

 

 

 

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