Introducción
Uno de los problemas de la ingeniería es la transformación
de unas fuentes de energía en otras que sean mas fácilmente aprovechadas por el
hombre.
Una máquina
es el conjunto de mecanismos combinados que tienen
como misión convertir o transformar una forma de energía con unas condiciones
concretas en otra, o en la misma pero con otras condiciones.
(Q
→ W)
Esto indica que el calor se
convierta en energía
Clasificación
de las máquinas térmicas
Las maquinas de fluido son un conjunto de elementos mecánicos
que tienen como función el intercambio de Energía mecánica a o desde energía térmica
o hidráulica de un fluido.
Máquina
térmica es aquella que convierte energía
térmica en mecánica y viceversa.
Una primera clasificación de
estas seria en función del sentido de la transformación:
Motores
térmicos. Los motores térmicos son aquellas
maquinas en las que la forma de energía que se emplea es la térmica, para
obtener energía mecánica.
Generadores
térmicos o compresores. Por el contrario, los generadores térmicos
son aquellas maquinas que desde la energía mecánica, se transforma en energía térmica.
Los generadores térmicos también reciben el nombre de compresores.
Otra clasificación de las
maquinas térmicas es atendiendo a la construcción:
Máquinas
rotativas: tienen como principal características
que los elementos móviles de las mismas giran.
Máquinas
alternativas o de émbolo: se ha de hacer una conversión del
movimiento lineal que describen los émbolos en los cilindros a rotativo por
mecanismos de biela manivela.
Las maquinas a reacción se basan en la expansión de gases
que desplazan gran cantidad de volumen de aire y gases procedentes de la combustión.
Otra forma de diferenciar las
maquinas es por la continuidad del fluido:
●Máquinas
de desplazamiento positivo o volumétricas: son aquellas
en las que el fluido está confinado en un espacio concreto en las operaciones
de compresión y o expansión.
●Máquinas
de flujo continuo: el fluido se comprime y se expande
en su paso sin quedar atrapado.
Una cuarta clasificación que
se puede hacer es atendiendo a donde ocurre la combustión:
●Máquinas
de combustión externa: son aquellas que “queman” el
combustible fuera de la propia maquina, en unas calderas.
●Máquinas
de combustión interna: son aquellas en las que el
combustible se emplea dentro de la propia maquina, en las cámaras
de combustión.
Marco
teórico
Principios termodinámicos
La termodinámica, como ya se ha comentado con anterioridad,
se sustenta en dos principios básicos:
● El primer principio de la termodinámica es el
principio de “conservación de la energía”: la energía ni se crea ni se destruye
únicamente se transforma, dicho de otro modo, el calor “Q” es transformable en
trabajo “W”, y viceversa, según la relación constante y quedando el estado termodinámico
de un fluido definido por sus condiciones de presión, temperatura, volumen, energía
interna y entropía.
● El segundo principio de la termodinámica, en el
enunciado de Kelvin, confirma que no existe ningún dispositivo que, operando
por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo convierta íntegramente en
trabajo. Lo que nos lleva pensar que parte de la energía no es aprovechable. De
este principio se saca como conclusión que todas las maquinas van a tener un
rendimiento “no perfecto”, es decir menor que 1. Y que un proceso puede ser
reversible o teórico (invierten su sentido solo modificando las condiciones
externas) y irreversible o real (donde los estados intermedios no están en
equilibrio como los anteriores debido al rozamiento, etc).
Conceptos
termodinámicos básicos
Por otro lado es importante definir una serie de conceptos
inherentes al tema como son:
● Energía:
es la capacidad para realizar trabajo. Se puede clasificar en:
Energía Potencial: cuando está contenida en un cuerpo o
sistema debido a un campo de fuerzas.
Energía cinética:
debida al movimiento de cuerpos.
Las formas de energía que interesan en este tema son la mecánica
y la térmica, es decir, las que tienen capacidad para producir trabajo mecánico
y calor. Siendo:
● Trabajo
mecánico: es la fuerza por el desplazamiento. Se mide en julios.
● Potencia:
es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Se mide en
vatios.
● Calor:
es la energía térmica de transición a través de las superficies que limitan al sistema.
Es el trabajo térmico. Se mide en calorías (Ca) siendo la Kcal la energía
necesaria para incrementar en 1oC un kilogramo de agua.
● Calor
específico: es la cantidad de calor para elevar 1oC, 1Kg de fluido.
Existe el calor específico a volumen constante (Cv) y el calor especifico a presión
constante (Cp). Siendo:
Cp=Cv+R
● Energía
interna (U): es la energía térmica almacenada en el fluido, es la energía
potencial térmica. En un gas depende solo de su temperatura.
● Entropía
(s):
es la variación de calor “dQ” respecto de la temperatura “T” absoluta.
ds=dQ/T
● Rendimiento energético:
es la relación que existe entre el calor intercambiado y la suma de este y las pérdidas
al entorno. Dicho de otra forma, es la relación entre la diferencia de calor
entregado a la maquina y la que entrega esta por la energía absorbida total.
N = Qentrada−Qperdidas/ Qentrada
Ecuaciones y transformaciones
termodinámicas básicas
Las ecuaciones que rigen las maquinas térmicas son:
● La ecuación
de los gases perfectos de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac p⋅v=n⋅R⋅T
siendo “R” constante y “T” en Kelvin.
● Ecuación de la energía:
Q1−2=Q2−Q1=(U2−U1)+p(V2−V1)
siendo: U=cv⋅T
, h=Cp⋅T=U+
p⋅v
, p⋅v=n⋅R⋅T
, W=
p v y
● El rendimiento
= Q1−Q2/
Q1
Dentro de las transformaciones termodinámicas se destacaran:
la isobara, la isocora, la adiabática y la isotérmica.
3.3.1.- Criterio de signos
Según estas ecuaciones se debe considerar el criterio de
signos de un sistema que depende de las
condiciones
del proceso termodinámico:
• Qabsorvido >0 (+)
• Qcedido<0 span="span">
• Wrealizado>0 (+)
• Wrecibido por el sistema<0 span="span">
En
un sistema cerrado
→U
1−2=U 2−U
1=0→
W=Q
|
|
|
|
Si
→ Q>0 y W>0 (expansión)
|
Si
→ Q<0 calor="calor" cede="cede" el="el" sistema="sistema" span="span" w="w" y="y">
|
Ciclos
termodinámicos teóricos
Los
ciclos térmicos son el conjunto de transformaciones que termodinámicas que
ocurren de forma periódica a la vez que cíclica. Desde el punto de vista teórico
ideal se resaltaran los ciclos de:
Carnot,
Otto, Diesel y Sabathe, Brayton y Rankine.
Objetivo
Desarrollar una maquina
térmica, para lo cual usaremos la energía que genera el vapor de agua cuando
este se calienta para mover las aspas de un ventilador de computadora
Desarrollo
Representación esquemática de una máquina térmica.
La máquina absorbe energía térmica Qc de un depósito
caliente, libera la energía térmica Qf al depósito frío y
efectúa un trabajo W.
Una máquina térmica lleva a cierta sustancia de trabajo a través de un
proceso de un ciclo durante el cual
1) la energía térmica se absorbe de una fuente a alta temperatura,
2) la máquina realiza trabajo, y
3) la máquina expulsa energía térmica a una fuente de menor
temperatura.
A partir de la primera ley
de la termodinámica vemos que el trabajo neto W hecho por la máquina térmica
es igual al calor neto que fluye hacia ella. Como podemos ver de la figura,
Qneto = Qc - Qf; por lo
tanto
W = Qc
- Qf
El trabajo neto hecho por un
proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa el proceso en
el diagrama PV.
Diagrama PV para un
proceso cíclico arbitrario. El trabajo neto realizado es igual al área
encerrada por la curva
