Las máquinas térmicas más eficientes son invariablemente las más grandes y las que funcionan más lentamente. Para una turbina de vapor, el "funcionamiento más lento" significa tener muchas etapas de turbina, de modo que se extrae trabajo del vapor a medida que se expande "lentamente" en muchas etapas, realizando una pequeña cantidad de trabajo contra muchas etapas de turbina. La alta estabilidad térmica de un sistema muy grande significa que se puede mantener una gran diferencia entre las temperaturas superior e inferior del yacimiento y, por lo tanto, una alta eficiencia potencial de Carnot. La eficiencia de un motor alternativo generalmente se mejora haciéndolo funcionar muy lentamente: uno o dos hercios como máximo.

La página Wiki de Steam-Electric Power Station indica que las eficiencias reales de las grandes centrales eléctricas de vapor oscilan entre el 33 % y el 48 %. Asumiendo que la turbina de vapor puede descargarse a, digamos, 100C (373K), si el 48% estuviera cerca de la eficiencia de Carnot, esto significaría una temperatura superior del depósito.$T_{max}$dada por:

Esto está algo por debajo de lo que la tecnología contemporánea puede sobrecalentar el vapor; del artículo:

V Ganapathy, "Sobrecalentadores: diseño y rendimiento", Procesamiento de hidrocarburos, julio de 2001

Veo temperaturas aproximadas de 1300K (2000F) como si estuvieran al alcance de un sobrecalentador radiante. Esto implicaría una eficiencia de Carnot de

Así que parecería que incluso con estas altas eficiencias, estamos trabajando bastante por debajo de la eficiencia de Carnot. Sería bueno obtener el aporte de un tecnólogo de energía en este punto para reafirmar algunas de estas cifras.

El motor de combustión interna más grande de la Tierra es el Wärtsilä-Sulzer RTA96-C , un monstruo de dos tiempos, catorce cilindros y 750 MW que se utiliza para propulsar el barco Emma Maersk . Las especificaciones del fabricante establecen una eficiencia térmica superior al 50 %, que definen explícitamente como la producción de trabajo dividida por la energía libre de la reacción de combustión del combustible. Como hemos visto anteriormente, esto implicaría una temperatura superior del yacimiento del orden de$700K$si estuviera alcanzando la eficiencia de Carnot, que todavía es bastante más fría que la temperatura inicial probable de los productos de combustión.

Editar después de Más lectura y pensamiento:

Una lectura más detallada de la referencia de Ganapathy citada anteriormente y un poco más de reflexión sobre esta interesante pregunta conduce a los siguientes comentarios.

1. Es probable que la temperatura de salida del vapor de un sobrecalentador de una central eléctrica moderna sea del orden de$850{\rm K}$a$900{\rm K}$($1100^o{\rm F}$) y esta debería ser la cifra que tomamos como nuestra temperatura superior del depósito. Estaba tomando la temperatura del depósito superior como la de la radiación en el sobrecalentador ($1300{\rm K}$), pensando que la diferencia entre la temperatura del gas y la de la radiación es una ineficiencia que hay que incluir. Sin embargo, presumiblemente podemos pensar en el horno como un sistema que está cerrado aparte de la entrada de calor y la salida de vapor y que no se pierde ninguna otra energía, o muy poca, del sistema del horno. Coincidentemente,$850{\rm K}$es también la temperatura que los aceros inoxidables modernos utilizados en las palas de las turbinas pueden soportar a largo plazo sin fluencia (consulte la sección "Eficiencia" de la página wiki de Steam Engine ). Además, uno podría argumentar legítimamente que la pregunta podría tomarse como preguntando por la eficiencia de la turbina solamente, y no del horno - sistema de turbina. Siendo esto así,$T_{max}=850{\rm K}$sería una suposición razonable.

2. Las turbinas de vapor modernas en realidad tienen temperaturas de depósito más bajas por debajo de $100^o{\rm C}$: son herméticos y sus etapas posteriores trabajan por debajo de la presión atmosférica . Así que la temperatura más baja del depósito$T_{\min}$es más como$30^o{\rm C}$: digamos$300K$.

Con estas cifras, la eficiencia potencial de Carnot de nuestra turbina sería:

que, para un sistema en el extremo superior de la escala de la [Wikipedia's$33\%$a$48\%$estimaciones](( http://en.wikipedia.org/wiki/Steam-electric_power_station ), implica una eficiencia de trabajo (producción de trabajo en comparación con la eficiencia de Carnot) de

Por lo tanto, sugeriría que esta es una respuesta bastante buena y lo más cercano a una respuesta que obtendrá en este foro, a menos que escuchemos de un tecnólogo de energía. Así que las turbinas de vapor funcionan bastante bien. Curiosamente, si usamos la fórmula "experimental" de Novikov que citó, pronosticamos una eficiencia en estas condiciones de

por lo tanto, esto es un poco pesimista para la turbina de vapor moderna, que es el modelo de eficiencia moderna en los motores térmicos, con una gran cantidad de investigación que se invierte en el control informático sofisticado de sobrecalentadores y hornos supercríticos.

La eficiencia del ciclo del motor térmico depende en gran medida de los procesos individuales que componen el ciclo que se ejecutan. Por lo tanto, la eficiencia del ciclo se puede maximizar utilizando los procesos que requieren la menor cantidad de trabajo y entregan más, es decir, mediante el uso de procesos reversibles. En 1824, el ingeniero francés Sadi Carnot propuso que el mejor ciclo reversible es el ciclo de Carnot. En caso de que el motor de Carnot, la adición y el rechazo de calor desde el depósito o una fuente de calor al motor y desde el motor al disipador estén a temperatura constante y de manera reversible, es decir, condición de isoterma reversible debido en el que el calor total suministrado se utiliza o se convierte en trabajo con la ayuda de un motor y la generación de entropía es cero. Los procesos restantes de Expansión y Compresión también son reversibles. Mientras que en el motor térmico normal, el proceso se vuelve irreversible debido a fenómenos como la fricción, la vibración, las pérdidas de calor, etc., por lo que las pérdidas de calor son mayores en comparación con el motor térmico de Carnot. Debido a que los motores térmicos reales siempre tienen una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot. La eficiencia real de un motor puede incrementarse

1) La temperatura a la que se añade calor, es decir, la temperatura de la fuente, de modo que las pérdidas sean menores a medida que la generación de entropía sea menor.

2) Bajar la temperatura del sumidero, es decir, la temperatura a la que el motor térmico rechaza el calor