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• Jeremy Alvarez

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Introducción.

El objetivo de las máquinas térmicas es convertir calor en trabajo mecánico o llevar calor de una fuente de calor fría a otra más caliente (refrigeración). En esta página se presenta un ejemplo de máquina térmica con el objetivo principal de ilustrar su funcionamiento y los principios que lo rigen, que son las leyes de la termodinámica.

Objetivos

Generales  Estudiar el proceso termodinámico realizado por una máquina térmica que es utilizada para elevar una cierta cantidad de masa.  Determinar experimentalmente el trabajo realizado por la máquina térmica en base al diagrama P-V.

Específicos

 Se pretende que el alumno conozca los fundamentos termodinámicas y fluidomecánicos de las máquinas térmicas y de los motores térmicos

 plantea asimismo como objetivo que el alumno sea capaz de aplicar los conocimientos teóricos adquiridos y de resolver ejercicios prácticos sobre los distintos temas

Maquinas Termicas 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. El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma empírica, se llega así al primer enunciado del Segundo Principio:

Enunciado de Kelvin-Planck No es posible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo. Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos. El esquema más sencillo de funcionamiento es entonces el siguiente:

permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes. Por el contrario, en una máquina hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la variación de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de los efectos mecánicos y el análisis de los efectos térmicos, llegando a despreciar los efectos térmicos en gran parte de los casos. Tal es el caso de una bomba hidráulica, a través de la cual pasa líquido. Alejándose de lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también puede considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues, aunque el aire es un fluido compresible, la variación de volumen específico no es muy significativa con el propósito de que no se desprenda la capa límite. En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía.

Máquina térmica y motor térmico En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacción de combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida.

Clasificación

Según el sentido de transferencia de energía Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en: Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje. 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: 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. Turbo máquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo

Balance de energía en una máquina térmica Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energía con el entorno. Aplicando el primer principio de la termodinámica para un sistema, el incremento de energía del sistema en un intervalo de tiempo es: Donde;



Q es el calor entregado al sistema. Será negativo cuando el calor sea entregado por el sistema.



W es el trabajo entregado al sistema, en forma de trabajo mecánico y energía de presión. Será negativo cuando el calor sea entregado por el sistema.



El subíndice in representa la materia que entra al sistema.



El subíndice out representa la materia que sale del sistema.



h es la entalpía por unidad de masa del flujo



V2/2 es la energía cinética por unidad de masa del flujo.



gz es la energía potencial por unidad de masa del flujo

Haciendo la derivada de la expresión anterior respecto al tiempo, se obtiene: Debe tenerse en cuenta que en máquinas generadoras, puede aparecer esta expresión con el signo de W cambiado, para que se exprese el trabajo entregado por la máquina y así W sea positivo.

Tipos de Maquinas Termicas Maquina de combustion externa: El combustible se quema fuera del motor, como por ejemplo en la maquina de vapor

Máquina de combustión interna: El combustible se quema adentro de la máquina, por ejemplo el motor de un coche

Máquina de reacción: Usan el principio de acción y reacción, por ejemplo el motor de un avión

Eficiencia de una máquina térmica La eficiencia de una máquina térmica jamás será de un 100%, pues de acuerdo a la Segunda Ley de la Termodinámica es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra. La eficiencia o rendimiento de una máquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y la cantidad de calor suministrada. Matemáticamente se expresa: Dónde: η = eficiencia de máquina térmica T = trabajo neto producido por la máquina en calorías (cal) o joules (J). Q = calor suministrado a la máquina por el combustible en calorías (cal) o joules (J). Como tenemos: tenemos:

La eficiencia también puede ser calculada en función de la relación existente entre la temperatura de la fuente caliente (T1) y la temperatura de la fuente fría (T2), ambas medidas en temperaturas absolutas, es decir, en Kelvin, donde:

También conocida como la eficiencia térmica de un motor de carnot.

Conclusión La segunda ley de la termodinámica surge como una respuesta al vacío e incomprensión que deja la primera ley con respecto a los sistemas irreversible los cuales son prácticamente ignorados, con la segunda ley aparece un nuevo termino llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la industria por que permiten determinar cuál es el rendimiento de una maquina térmica ya sea un refrigerador o una bomba de calor obteniendo así información acerca del proceso termodinámico y por ende la modificación o el diseño de un refrigerador o bomba de calor óptimo. Se pudo observar el por qué las industrias que tuvieran una maquina térmica buscaban fuentes de agua naturales y espacios apartados, todo esto debido a que uno de los principios de la segunda ley son fuentes de baja y alta temperatura que puedan mantenerse constantes sin importar la transferencia de calor. El principios fundamental de esta ley es la experimentación practica ya que de ahí provienen dos de los postulados base de esta ley. Una bomba de calor es similar a un refrigerador la única diferencia es el propósito de la maquina térmica mientras que en un refrigerador se quiere que haya una transferencia de calor del entorno a la maquina térmica logrando así bajar la temperatura del entorno, en la bomba la transferencia sucede desde la maquina térmica al entorno buscando así el calentamiento del ambiente.

Anexos

Ejercicio

Una máquina hace un trabajo de 25 J en cada ciclo, absorbiendo 85 cal. ¿Cuál es el rendimiento de la máquina y el calor liberado en cada ciclo?

Solución Datos  

Trabajo realizado, W = 25 J Calor liberado, Q1 = 85 cal = 85·4.184 = 355.64 J

Resolución El rendimiento de la máquina viene dado por: η=WQ1=25355.64=0.0702 ⇒7% El trabajo realizado por la máquina es la diferencia entre el calor absorbido por la máquina y el calor que va al sumidero, es decir, liberado, por tanto: W=Q1−Q2⇒Q2=Q1−W=355.64−25=330.64 J =79.02 cal