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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencia y Tecnología. Instituto Universitario de Tecnología de Cabimas. Cabimas, Estado Zulia.

Introducción a las Maquinas Térmicas

Realizado Por: Landaeta Brando 26.716.032 Sección: U201

Cabimas, junio de 2018

Introducción Las maquinas térmicas se vienen tratando desde hace mucho tiempo atrás, como se explica a continuación desde el año 75 se observaron los primeros indicios acerca de este tipo de máquinas por Herón de Alejandría quien realizo una turbina de reacción elemental. La siguiente investigación tuvo como finalidad un estudio básico sobre las maquinas térmicas, donde encontraremos plasmado acontecimiento importantes sobre estas a lo largo de su historia. Comprenderemos: ¿Que son las maquinas térmicas?, su evolución histórica, cuáles fueron sus primeros modelos entre las cuales nos encontraremos con la máquina de Savery llamada “el amigo del Minero” que ayudo para la época a extraer aguas subterráneas en las minas inglesas. Además de ello se dará a conocer su funcionamiento. Para posteriormente dar una breve explicación de la clasificación de las maquinas térmicas y sus ejemplos, en continuidad identificaremos un esquema general donde se explicará paso a paso el funcionamiento de una central térmica y finalizando así con la experiencia de Joule quien realizo un experimento donde se determina un equivalente de la relación entre la unidad de energía (Joule) y la unidad de calor (Caloría).

1) Definición de máquinas térmica. Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo. 2) Rasgos Históricos de las máquinas térmicas. A finales del siglo XVII ya se sabía que la presión atmosférica o la del vapor podían usarse como fuente de potencia. Los primeros intentos de explotar la idea, entre los que destacan los de Denis Papin en Francia y Thomas Savery en Inglaterra, tuvieron un éxito limitado. Pero a principios del siglo XVIII un ingeniero inglés, Thomas Newcomen, comenzó a fabricar máquinas eficaces y, lo que era casi más importante, fiables. Estas máquinas se extendieron pronto por el Reino Unido, Europa continental y América. Su uso no solo revolucionó la industria y la minería, también contribuyó de forma sobresaliente al desarrollo de la física. Herón de Alejandría realiza, en el año 75, una turbina de reacción elemental. Consiste en una esfera metálica, sostenida a ambos costados (para permitir su giro), y dos aberturas (una arriba, otra abajo) para permitir la salida del vapor. Al estar parcialmente llena de agua, y al aplicársele calor, sale el vapor por las aberturas y comienza a girar. Este invento fue considerado como una simple curiosidad y se lo dejó de lado, mostrando la mentalidad poco práctica de los antiguos griegos. En 1690, Denis Papin realiza una primitiva máquina de vapor. Consistía en un émbolo, de trayectoria vertical, ubicado dentro de un cilindro parcialmente lleno de agua en su parte inferior y con una fuente de calor exterior ubicada bajo el cilindro. Al evaporarse el agua, la presión del vapor levantaba al émbolo, produciendo trabajo mecánico. Thomas Savery, un ingeniero militar, inventa en 1698 “el amigo del minero”. Es una máquina de vapor que no utiliza émbolo y que se empleaba para desagotar las inundadas minas de carbón inglesas; de ahí su nombre. En 1705, Thomas Newcomen construía una bomba similar a la de Papin. La máquina de Newcomen consume mucho carbón por cuanto el cilindro se tiene que enfriar y calentar sucesivamente. En 1775 aparece la máquina de James Watt, que presenta mejoras notables respecto de las anteriores. Esta vez está constituida por un cilindro (en el cual está el émbolo) estando unido por la parte superior e inferior a un tubo adicional. La máquina de Watt consume mucho menos combustible que las anteriores y esta vez no emplea la presión atmosférica, sino solamente la presión del vapor. Las máquinas de Watt desplazan a las de Newcomen en las minas inglesas. Además, comienzan a utilizarse en la industria dando lugar a la “revolución industrial”. 3) Explique la Maquina Térmica de Savery. ¿Cómo funciona? Y ¿Cómo se aplicó? ¿Cómo se aplicó?: A finales del siglo XVII, las aguas subterráneas suponían un grave problema para la minería, pues las bombas existentes no eran capaces de desarrollar una potencia suficiente para extraer el agua desde esa profundidad. ¿Cómo funciona?: Consiste en un tanque vertical A con tres orificios; el superior (controlado por la válvula D), el inferior (controlado por la válvula E) y un orificio lateral, ubicado en la parte baja del tanque (controlado por la válvula F) al cual le sigue un tubo de descarga. La secuencia de funcionamiento puede describirse así:

I.

Se abre el orificio superior (válvula D abierta) permitiendo que el tanque A se llene de vapor (E y F permanecen cerradas).

II.

Se cierra D (no entra más vapor), se refrigera el tanque A (el vapor se condensa y se contrae). Se abre E permitiendo que el agua (a desagotar) penetre en el tanque A (por la presión atmosférica) en donde existe un vacío parcial.

III.

Se cierra E (no sube más agua). Se abre D y F, para que el vapor que entra por D presione al agua para que salga por F al exterior.

IV.

Se vuelve al paso I.

4) Clasificación de las máquinas térmicas. Las máquinas de este tipo se clasifican según dos criterios:  Según el sentido de transferencia de energía: Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:

1. Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje. 2. Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje.  Según el principio de funcionamiento: Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:

1. Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina. En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular. 2. Turbomáquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.

5) De ejemplos de las maquinas térmicas según su clasificación. Maquinas Térmicas Motoras Desplazamiento Positivo Alternativas

Rotativas

Flujo Continuo Rotativas

Motor Diésel

Motor Wankel

Turbinas de vapor

Motor de encendido provocado

Generadoras Desplazamiento positivo Alternativas

Rotativas

Flujo Continuo Rotativas

Compresor de embolo

Compresor de lóbulos

Turbo Compresor

Turbina de Gas

Máquinas de vapor 6) Identificar los esquemas de uso general del funcionamiento de una central térmica.

1. La combustión de gas o el carbón calientan el agua que circula por la caldera transformándola en vapor. 2. El vapor de agua hace girar una gran turbina generando energía mecánica que se transforma en energía eléctrica en el alternador. 3. Para optimizar el proceso el vapor se enfría en el condensador antes de volver a la caldera en forma de agua. 4. El calor latente de la condensación del vapor es absorbido por el agua de refrigeración y se expulsa al exterior a través de las torres de refrigeración generando una llamativa columna de agua. 5. La energía generada en el alternador se transforma en la subestación elevando su tensión para minimizar las perdidas por las redes eléctricas distribuyéndose hasta los puntos de consumo. 6. Los humos procedentes de la combustión se depuran antes de expulsarlos por las chimeneas. 7) Explicar la experiencia de Joule.

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría. Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua. La experiencia de Joule pone de manifiesto la equivalencia entre dos formas de energía: la mecánica y la calorífica. Hasta este experimento, el calor se medía en calorías (cal). Una caloría es el calor que precisa intercambiar un gramo de agua para que su temperatura cambie un grado. La energía mecánica se mide en julios (J). Un julio es la energía que se obtiene cuando una fuerza de un newton kilogramo produce un desplazamiento de un metro. Joule pone de manifiesto como la energía mecánica puede producir energía calorífica y lo hace siempre en la misma proporción. Esta equivalencia de energías se llama equivalente mecánico del calor. Vale: 1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal Joule realizó su experimento utilizando una masa de agua (Ma) a una temperatura inicial T0, cuyo calor específico es (1 cal/ºC g), se calienta hasta una temperatura final Tf cuando unas paletas agitan el baño. El calor necesario Q es: Q = Ma Ce (Tf – T0) cal Para mover estas paletas se aprovecha la energía mecánica de una masa (Mp), que cae desde una altura h, mediante un hilo que acciona del movimiento de giro. La energía mecánica implicada es energía potencial (Ep) que se libera es: Ep = Mp g h J Joule demuestra mediante esta experimentación que entre ambas formas de energía existe una relación constante: el equivalente mecánico del calor: Q / Ep = equivalente mecánico del calor

Conclusión

Como ya sabemos una maquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir el calor en trabajo utilizando sustancias como: (Vapor o la gasolina) y que para que esto pueda ser posible es necesario que la maquina realice una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica para que así funcione de manera continua. Estas máquinas han demostrado ser útiles a lo largo de la historia como lo hemos podido notar en los rasgos históricos, ya que a finales del siglo XVII ya se sabía que la presión atmosférica o la del vapor podían usarse como fuente de potencia cuando se empezaron a desarrollar maquinas tan eficaces y fiables se empezaron a extender en el Reino Unido, Europa continental, y América. Debido a que su uso no solo revolucionó la industria y la minería, también contribuyó de forma sobresaliente al desarrollo de la física. Pero para que todo esto pudiera ser posible fue necesario cada uno los creadores de estas máquinas como lo fueron: Denis Papin, Thomas Savery, Thomas Newcomen. Estudiaran las maquinas previas a las de cada uno de ellos para mejorarlas en ciertos aspectos, su evolución ha sido a tal magnitud que hoy día las podemos ver clasificadas según dos criterios según el sentido de transferencia de energía llamadas máquinas (motoras y generadoras) y según el principio de su funcionamiento conocidas como: máquinas de desplazamiento positivo y turbo maquinas Observamos ejemplos de estas máquinas según su clasificación donde se encuentran sumergidos motores diésel y motores de encendido provocado que son máquinas térmicas motoras de desplazamiento positivo y el motor Wankel desarrollado por el ingeniero alemán Félix Wankel que es una maquina térmica motora de flujo continuo que se caracterizó por ser un motor de combustión interna, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. Logramos observar cómo estas máquinas térmicas son utilizadas en las centrales térmicas y como logro Joule equivaler la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría

Fuentes Bibliográficas

1. Definición de Maquinas Térmicas.  Termodinámica segundo Principio: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo2p/maquinas.html  https://es.scribd.com/doc/174885904/Clasificacion-de-Las-Maquinas-Termicas 2. Rasgos Históricos de la Termodinámica  https://culturacientifica.com/2015/11/24/la-maquina-termica/  http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/05/htm/sec_ 5.html  https://es.scribd.com/document/168231186/BREVE-HISTORIA-DE-LASMAQUINAS-TERMICAS-pdf 3. Explique la Maquina de Savery. ¿Cómo funciona? Y ¿Cómo se Aplicó?  https://es.scribd.com/document/168231186/BREVE-HISTORIA-DE-LASMAQUINAS-TERMICAS-pdf  https://es.wikipedia.org/wiki/Thomas_Savery  Departamento de Ingeniería Mecánica: http://www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/MAQ-VAP1.HTM 4. Clasificación de las maquinas térmicas  https://es.scribd.com/doc/174885904/Clasificacion-de-Las-Maquinas-Termicas  https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica#Clasificaci %C3%B3n 5. Ejemplos de las maquinas térmicas según su clasificación.  https://es.scribd.com/doc/174885904/Clasificacion-de-Las-Maquinas-Termicas  https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica#Clasificaci %C3%B3n 6. Identifique los esquemas de uso general del funcionamiento de una central térmica.  https://www.sostenibilidadedp.es/pages/index/proceso-de-produccion-de-unacentral-termica 7. Explique la experiencia de Joule.  http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/joule/joule.htm  http://webs.um.es/gregomc/LabESO/ExperimentoJoule/ExperimentoJoule_Gui on.pdf