A continuación se presenta un Podcast con información relacionada al ciclo de Carnot, o los principios básicos del funcionamiento de una máquina térmica.
Música de fondo obtenida de: http://dig.ccmixter.org/files/JeffSpeed68/54609Ft: Martijn de Boer (NiGiD)
domingo, 30 de octubre de 2016
viernes, 28 de octubre de 2016
domingo, 23 de octubre de 2016
viernes, 21 de octubre de 2016
domingo, 9 de octubre de 2016
Introducción
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. Es un conjunto de elementos mecánicos que
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. Actualmente se utiliza mucho este tipo de máquinas en la
industria, y el hogar en menor medida. Un claro ejemplo de estas máquinas son los motores de automóviles,
pues son motores de combustión interna por lo general, que al maximizar la
densidad del combustible en los pistones, genera explosiones que dan fuerza
mecánica para los ejes de los neumáticos.
Desarrollo
Se puede clasificar según el sentido de
transferencia de energía:
·
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.
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.
Los principios
de la termodinámica nos dicen que no existe un “sistema perfecto” o “100 x 100”
que sea capaz de transformar toda la energía obtenida en forma de calor en
trabajo. Se describe en el enunciado de Kelvin-Planck
No es posible ninguna transformación cíclica que
transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo. El rendimiento de las
máquinas se da por:
siendo | W | el trabajo neto realizado por la
máquina, | Qc | el calor que absorbe del foco caliente para realizar dicho
trabajo y | Qf | el calor de desecho que es entregado al foco frío.
Y se refuerza la base conceptual en la ley cero de
la termodinámica:
·
Ley Cero (o principio cero)
de la Termodinámica
Si dos sistemas están por separado en equilibrio
con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio entre ellos. Si tres
o más sistemas están en contacto térmico y todos juntos en equilibrio, entonces
cualquier par está en equilibrio por separado.
Así, entendiendo los dos principios o enunciados
anteriores, siempre debe haber una cantidad mínima de calor cedido (Q2 en el
diagrama) por el sistema hacia otro punto.
Esto 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.
 |
|
No existe una máquina
capaz de transformar todo el calor obtenido en trabajo. Siempre hay un punto
frío al que cede algo del calor inicial.
|
Ahora podemos definir los siguientes conceptos
importantes:
Energía
En primer lugar, el concepto de energía, se define
como la capacidad que tiene un cuerpo o masa para llevar a cabo un trabajo
luego de haber sido sometido a una fuerza. Se entiende que sin energía no es
posible realizar un trabajo.
Trabajo
Se denomina trabajo cuando una fuerza (que utiliza
la medida newton) moviliza un cuerpo y libera la energía potencial del mismo.
Para medir el trabajo se relaciona la distancia en que se desplaza un cuerpo y
la fuerza empleada. La unidad de trabajo es entonces el resultado del producto
entre la unidad de fuerza por la de longitud.
Potencia
La relación entre el trabajo efectuado y el tiempo
que se empleó para efectuarlo se denomina potencia. Se denomina potencia al
ritmo de trabajo. Medimos la potencia en Watts (que corresponde a un Joule por
segundo, es decir un Joule es el trabajo que se necesita para producir un Watt
de potencia en un segundo). También debemos considerar el concepto de
eficiencia dentro de la física, que refiere al rendimiento dentro de un proceso
y se obtiene a partir de la relación entre la energía útil y la invertida. La
energía que se pierde forma calor en el ambiente.
Rendimiento (η)
El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre
el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues el rendimiento como
el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación impuesta por
enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido
con lo que el rendimiento siempre será menor que uno.
Ciclo de Carnot: Las
máquinas actuales más eficaces son aquellas que cumplen con el Ciclo de Carnot.
Es un ciclo termodinámico hipotético utilizado como
norma para establecer comparaciones con ciclos reales. Con el ciclo de Carnot
se muestra que, aun en condiciones ideales, una máquina térmica no puede
convertir toda la energía calorífica que se le suministra en energía mecánica;
tiene que rechazar parte de esa energía.
En un ciclo de Carnot, una máquina acepta energía calorífica de una
fuente a alta temperatura, o cuerpo caliente, convierte parte de ella en
trabajo mecánico (o eléctrico) y descarga el resto hacia un sumidero a baja
temperatura, o cuerpo frío. Cuanto mayor sea la diferencia en temperatura entre
la fuente y el sumidero, mayor será la eficiencia de la máquina térmica.
La segunda ley de la termodinámica surge como una respuesta al vacío e incomprensión que deja la primera ley con respecto a lo sistemas irreversible los cuales son prácticamente ignorados, con la segunda ley aparece un nuevo término llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la industria por que permiten determinar cuál es el rendimiento de una máquina 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 que las industrias que tuvieran una máquina 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.
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