Como se puso de manifiesto en el anteriores capítulos, las propiedades termodinámicas o funciones de estado dependen exclusivamente de los estados inicial y final y no de las características del proceso. En este sentido, la temperatura es la magnitud más importante, ya que define las ganancias y pérdidas de entalpía y energía interna. También se vio que la entalpía es una magnitud fundamental en los sistemas terrestres, debido a que gran multitud de procesos se realizan a presión constante (presión atmosférica).
Si de una manera bastante simple se pueden realizar cálculos de ganancias y pérdidas energéticas, se puede intuir que sería relativamente fácil diseñar procesos de intercambio de calor y trabajo. La termodinámica diseña los procesos, pero no las máquinas. Esa labor le corresponde a la mecánica.
Existen formas de obtener moviento y energía calorífica a través de distintos procesos o ciclos. El rendimiento de un proceso para obtener calor puede acercarse o incluso ser del 100% (por ejemplo, conversión de electricidad en calor). Sin embargo, el rendimiento de un proceso para obtener movimiento es mucho menor. Se dice entonces que el movimiento es un tipo de energía de mayor calidad que la energía calorífica. El rendimiento no es más que la fracción de energía total que se convierte en trabajo (el resto, se convierte en calor).
Rendimiento = Trabajo útil / Energía total utilizada
Existen diversos ciclos termodinámicos para obtener moviento. Algunos son poco conocidos por el gran público, como el ciclo Rankine o el ciclo de Brayton. Otros son más reconocibles, debido a su uso en automoción (ciclo de Diesel o ciclo de Otto). Todos estos ciclos, de una u otra forma, son descendientes del denominado ciclo de Carnot, ciclo con el que funcionaba la máquina de vapor. En el diagrama adjunto quedan descritas las fases del proceso:
Tramo 1-2: expansión isoterma. En este proceso, el gas o vapor se expande a T constante, aumentando su volumen y por consiguiente disminuyendo su presión. Se cede calor al exterior.
Tramo 2-3: expansión adiabática. En este proceso, el gas pierde temperatura al expandirse.
Tramo 3-4: compresión isotérmica. El gas se comprime, aumetando su presión y disminuyendo su volumen a T constante. El ambiente cede calor al sistema.
Tramo 4-1: expansión adiabática. El gas se comprime adiabáticamente y su temperatura aumenta.
Durante el proceso sólo hay dos etapas donde se intercambie calor: 1-2 y 3-4. Corresponden al foco caliente y al foco frío respectivamente. El foco caliente puede ser una caldera. El foco frío es el ambiente. En todas las etapas existe el sistema realiza trabajo.
El trabajo útil realizado en todo el proceso, si realizamos el cálculo, queda como:
W(1-2) + W(2-3) + W(3-4) + W(4-1) =
= Q1 + W(2-3) - Q2 - W(2-3) = Q1-Q2.
La energía total utilizada es realmente el calor intercambiado en la caldera (Q1), ya que Q2 es calor perdido al ambiente, que proviene de Q1. Así pues:
Rendimiento = (Q1-Q2) / Q1 = 1- Q2 / Q1
Tanto Q1 como Q2 son W(1-2) y W(3-4). En ambos casos, W = n· R · T · log (Vf/Vi). Los dos procesos son iguales, tanto en su relación de volúmenes, como en R como en la masa de gas puesta en juego. Únicamente difieren en la temperatura (T1 en el foco caliente, T2 en el foco frío). Así pues, se demuestra que:
Rendimiento de Carnot = 1 - Tf/Tc
El ciclo de Carnot es mucho más eficiente cuando las temperaturas de la caldera es muy alta y la del ambiente (Tf) es muy baja. Así, una máquina que opere al aire libre a 25ºC y a 600 ºC, tiene un rendimiento del 65,9%, mientras que si sólo llegara a trabajar a 100ºC, su rendimiento sería del 20%.
En este asunto existe una paradoja: cuanto más se calienta un motor, por experiencia, sabemos que menor es el rendimiento. Sin embargo, en estos cálculos ha quedado de manifiesto que cuanto mayor sea la temperatura del proceso, mayor es el rendimiento. Parece entonces, a priori, una incongruencia.
La respuesta está en que cuando se caliente un motor, realmente está perdiendo calor al foco frío (es decir, Q2 es alto), por tanto, disminuye el rendimiento. Sin embargo, que pierda calor no significa que el proceso esté ocurriendo a la temperatura que marca el termómetro del vehículo. La temperatura del exterior del motor es resultado de la transmisión de la temperatura interna al exterior. Una buena refrigeración del motor ayuda a que la diferencia entre la temperatura interior y la exterior sea grande, y por tanto que el rendimiento sea alto, tal y como marca el ciclo de Carnot.
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