Accions del document
Inici Index     Anterior Següent
Estalvi i eficiència energètica

1. El balanç energètic d'una màquina tèrmica

De les quatre lleis presentades en la unitat anterior, la segona (sense comptar la zero) llueix amb una especial importància. Recordem que el segon principi de la termodinàmica assegura que l’energia que es transforma es conserva pel que fa a quantitat però disminueix pel que fa a qualitat de manera inevitable. Aquest axioma llueix essencialment per dos motius: a) perquè fixa la inevitabilitat de la fletxa del temps i de la degradació de qualsevol sistema cap a un estat de desordre creixent i mort final, i b) perquè ningú no diria que emergí en el context d’una proposició de l’àmbit de l’enginyeria: la qüestió de com es podia augmentar l’eficiència de les màquines tèrmiques.
 
 
 
watt_03.png
 

Figura 1. Una màquina de vapor de 1784. Font: Engines of our Ingenuity

 
 
Les màquines tèrmiques, això és, les màquines que utilitzen el flux de calor establert entre dos focus amb diferents temperatures per tal de generar treball, es considera que es fan grans el 1769, amb la primera patent de màquina de vapor “eficient” de James Watt (1736-1819). La màquina de vapor de Watt (figura superior) funciona a) utilitzant carbó per generar calor, Qe, que b) escalfa aigua per portar-la a un estat de vapor que c) pot fer aixecar un pistó i, en darrer terme, generar treball, Ws.
 
Si la màquina ha de funcionar de manera cíclica i constant, l’aigua ha de tornar a l’estat líquid i a la temperatura inicials, de manera que d) ha de cedir calor, Qs, a l’ambient. Així doncs, tenim una màquina en la qual entra calor, Qe, i en surt treball, Ws, i calor, Qs, al mateix temps. És a dir:
 
eq01.png
 
 
En general, qualsevol màquina tèrmica també ha d’absorbir una certa quantitat de treball, We, menor que la que podem aprofitar de la màquina, per tal que el cicle sigui complet, de manera que l’expressió anterior cal escriure-la correctament com a:
 
eq02.png
 
 
L’expressió anterior quantifica i mostra el balanç energètic d’una màquina tèrmica motora, això és, que genera treball. En relació amb la pregunta que ens fèiem al principi, l’eficiència E d’una màquina tèrmica es pot quantificar com la relació entre el treball net (Wnet) i la calor que entra a la màquina (Qe):
 
eq03.png
 
 
L’eficiència d’una màquina tèrmica s’ha mesurat des de llavors mitjançant l’expressió 3, moltes vegades sense tenir en compte la conseqüència més important de tot plegat (que és un enunciat del segon principi de la termodinàmica): cap màquina que funcioni de manera cíclica (això és, generant treball constantment), encara que ho faci de manera ideal (això és, sense pèrdues tèrmiques per fregaments, per exemple) no pot donar tan sols treball, sinó que ha de cedir, a més, una part de l’energia que entra en forma de calor a un focus fred. És a dir:
 
eq04.png