Física de juguetes y dispositivos sencillos. Molinete térmico y máquina de Hero

Supongamos que un alumno de cuarto de la ESO llega un día a su casa y su padre le pregunta qué ha aprendido ese día en la escuela. Supongamos que el alumno contesta que el Principio de Conservación de la Energía y que repite aquello de que ‘La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma‘. Al llegar la noche, mientras están viendo el telediario, su madre le hace la misma pregunta, mientras en la pantalla del televisor el Presidente del Gobierno explica que España tiene un importante déficit de energía y que necesitamos producir más energía por nuestros propios medios. En este momento, el alumno podría hacer el siguiente comentario:
–¿Cómo es que tenemos un problema de producción de energía si la energía ni se crea ni se destruye? Aunque no se puede crear, lo bueno es que tampoco se puede destruir, por lo que los problemas de energía se resuelven yendo a donde se ha ido acumulando ésta a medida que se utilizaba, conducirla a donde se necesita y ponerla otra vez a mover máquinas.
Ya sé que es un comentario un poco rebuscado y pedante, pero el razonamiento del chico, o chica, parece impecable. ¿Cómo le contestaría usted en caso de ser uno de sus progenitores?
La primera parte de la respuesta está en que la energía mecánica, por ejemplo, la debida a la caída de una masa de agua desde una cierta altura, o la energía eléctrica, y otras que son capaces de mover máquinas, se transforma en movimiento, energía cinética, que, sin poderse evitar y merced a fenómenos de rozamiento, se transforma finalmente en calor (los termodinámicos lo llamamos energía interna y no es meramente un tecnicismo). Este reconocimiento de que el calor es una forma de energía se eleva a la categoría de hipótesis y se denomina Primer Principio de la Termodinámica. Pero el alumno puede seguir razonando:
–¿Cuál es el problema? Si el calor es una forma de energía, debería poder transformarse en movimiento, igual que me acabáis de decir que el movimiento se transforma en calor.
¿Tiene sentido este comentario del chico? Sí. Entonces, ¿dónde esta el problema de transformar el calor en movimiento, en trabajo mecánico o eléctrico?
La respuesta es que no lo sabemos. Hasta tal punto no lo sabemos porqué el calor no se puede transformar directamente en trabajo que ha habido que utilizar una de las herramientas que más les gusta emplear a los físicos: inventarse un nuevo principio, una nueva hipótesis. En este caso, el Segundo Principio de la Termodinámica. Este segundo principio establece que hay dos reglas fundamentales para transformar algo de calor en trabajo mecánico utilizando una, así denominada, máquina térmica:
1. El calor (la energía interna) debe encontrarse a dos temperaturas diferentes. Debe existir un depósito de calor a alta temperatura (foco térmico caliente), T_1 y un depósito de calor a baja temperatura (foco térmico frío), T_2 (estas temperaturas deben venir expresadas en kelvin, unidad de temperatura absoluta, no en grados Celsius).

Nada de calor se puede transformar en trabajo si sólo se dispone de un foco a una temperatura, T por muy grande que ésta sea y por mucha energía que contenga el depósito. Por ejemplo, la bahía de Santander en agosto tiene muchísima más energía que la misma bahía en enero. Pero en ningún mes puedes sacarla de donde está. En Islandia, como en el suelo tienen nieve y hielo y en el subsuelo, a cien o doscientos metros de profundidad, tienen agua hirviendo a doscientos o trescientos grados Celsius (casi seiscientos kelvin), pueden utilizar esa diferencia de temperatura para producir electricidad. Y la utilizan.
La máquina térmica va a funcionar tomando calor del foco térmico caliente, expandiendo algún tipo de gas, émbolos, subiendo pesos, etc., va a realizar expansiones y compresiones internas, y va a ceder calor al foco térmico frío, realizando trabajo neto y volviendo a su estado inicial.

La segunda regla relativa al funcionamiento de estas máquinas térmicas es:
2. No es posible transformar todo el calor absorbido por la máquina térmica en contacto con el foco térmico caliente en trabajo mecánico. Parte del calor absorbido debe ser necesariamente cedido al foco térmico frío.


Si se absorbe un calor Q1 en contacto con el foco térmico caliente, que se encuentra a temperatura T_1, si el foco térmico frío se encuentra a temperatura T_2, como mínimo se debe ceder un calor Q_2 al foco térmico frío de
Q_2 = Q_1 T_1 /T_2
quedando sólo para transformarse en trabajo W, la diferencia, una energía W=Q_1-Q_2. Como puede verse, si T_2 está muy próximo a T_1, se podrá obtener muy poco trabajo por cada unidad de calor transferida (y que cuesta dinero). Por eso, el agua en las centrales térmicas o nucleares se hace hervir bajo altas presiones, para conseguir que T_1 sea mucho mayor que T_2 y obtener un mejor rendimiento. La posibilidad de conseguir que T_2 sea igual a cero está prohibida por otro principio, el Tercer Principio de la Termodinámica.
El dispositivo que se describe a continuación, el molinete térmico, tal vez sean la máquina térmica más sencillas, pero tiene todas las características de las mismas. El molinete térmico es un molinete metálico, de metal ligero como el aluminio, formado por varias aspas inclinadas a 45º y que reposa sobre una aguja muy fina. Cuando se colocan varias velas bajo este molinete, empieza a girar. Si la aguja es roma, o el molinete está mal equilibrado, no gira. Con la llama de la cerilla se enciende la mecha de la vela y se funde un poco de parafina. La parafina asciende por el pábilo de algodón por capilaridad, se evapora, se mezcla con el oxígeno del aire y desprende mucha energía en forma de calor. El calor calienta el aire alrededor de la llama y el aire caliente, más ligero que el aire frío, asciende y como al encontrarse a mayor temperatura que el aire frío que hay por encima del molinete, sus moléculas se mueven con mayor velocidad y golpean los álabes por la parte de abajo de los mismos con más fuerza que por arriba, y la reacción (Tercera Ley de Newton) al choque del aire contra las aspas y su salida en horizontal, debido a la estudiada inclinación de las aspas, hace que el molinete gire. El molinete térmico es pues una pequeña turbina.


Un molinete térmico se puede construir con un tubo largo muy abierto en su base y con un molinete hecho de un material muy ligero sujeto en el medio de la boca abierta superior del tubo. Se coloca la mano derecha abierta (después de haberla frotado con la izquierda para producir calor) y con la palma de la mano mirando hacia arriba en el hueco de la base del tubo, justo debajo de la chimenea. El giro del molinete se debe a la diferencia de temperatura entre la mano
y el aire exterior, lo que hace que el aire ascienda a lo largo de la chimenea y mueva el molinete.

Tal vez la máquina térmica más antigua descrita sea la máquina de Heron. El agua colocada en un depósito metálico se hace hervir con la ayuda de una fuente de calor, típicamente una llama. Cuando el vapor de agua se produce en cantidades importantes, se lleva hasta un tubo en forma de S, colocado en horizontal, con el vapor entrando por su centro y con dos salidas en sus extremos, ligeramente estrechadas. El tubo en S obliga al gas a girar, y, por reacción, el gas obliga al tubo a girar. En la máquina térmica de Heron, la salida del vapor se efectúa por unos estrechamientos al final de los tubos, lo que hace que surja con mayor velocidad y el tubo gire más deprisa. Los griegos parece que nunca tuvieron idea de utilizar este tipo de máquinas térmicas para producir trabajo. Se piensa que, entre otras razones, eran más caras que utilizar esclavos (que sólo tienen que comer).


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El Diario Montañes

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