MAQUINAS TERMICAS. CICLO DE CARNOTJUNIO 2010
INSTITUTO TECNOLGICO NOGALES FISICA II
MAQUINAS TRMICAS Es un dispositivo que opera en continuo o
cclicamente, y produce trabajo mientras intercambia calor a travs
de sus fronteras. Ejemplo:
Se desliza una masa sobre el pistn apoyado en el piso
inferior.
Se aade calor al gas desde una fuente externa a alta temperatura
(foco caliente).
El pistn asciende hasta el tope superior.
La masa se desliza del pistn en el piso superior.
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Se retira calor de un gas hacia un sumidero a baja temperatura
(foco fri).
El sistema ha vuelto a su estado inicial.
ESQUEMA DE UNA MAQUINA TERMICA
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ESQUEMA DE MAQUINAS TERMICAS INVERSAS
Una mquina es un instrumento que transforma las fuerzas que
sobre ella se aplican a fin de disminuir el esfuerzo necesario para
llevar a cabo una tarea.
Las mquinas estn constituidas por elementos mecnicos que se
agrupan formando mecanismos, cada uno de los cuales realiza una
funcin concreta dentro de la mquina.
Los mecanismos se pueden describir partiendo del tipo de
movimiento que originan. As, podemos distinguir cuatro tipos:
Movimiento lineal: El movimiento en lnea recta o en una sola
direccin Movimiento alternativo: El movimiento adelante y atrs a lo
largo de una recta se llama movimiento alternativo Movimiento de
rotacin: El movimiento circular se llama movimiento de rotacin
Movimiento oscilante: El movimiento hacia delante y hacia atrs
formando un arco (o parte de un crculo).
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EVOLUCION DE LAS MAQUINAS TERMICAS
Algunas de las mquinas trmicas que se construyeron en la
antigedad fueron tomadas como mera curiosidad de laboratorio, otros
se disearon con el fin de trabajar en propsitos eminentemente
prcticos.
El ingenio ms conocido por las crnicas de la poca es la eolipila
de Hern que usaba la reaccin producida por el vapor al salir por un
orificio para lograr un movimiento. Esta mquina es la primera
aplicacin del principio que usan actualmente las llamadas turbinas
de reaccin.
En 1629 Giovanni Branca dise una mquina capaz de realizar un
movimiento en base al impulso que produca sobre una rueda el vapor
que sala por un cao. No se sabe a ciencia cierta si la mquina de
Branca se construy, pero, es claro que es el primer intento de
construccin de las que hoy se llaman turbinas de accin.
La mquina de Savery consista en un cilindro conectado mediante
una caera a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro
se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego
se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se produca un vaco que
permita el ascenso del agua
LA ETAPA TECNOLGICA.
La bomba de Savery no contena elementos mviles, excepto las
vlvulas de accionamiento manual, funcionaba haciendo el vaco, de la
misma manera en que ahora lo hacen las bombas aspirantes, por ello
la altura de elevacin del agua era muy poca ya que con un vaco
perfecto se llegara a lograr una columna de agua de 10.33 metros,
pero, la tecnologa de esa poca no era adecuada para el logro de
vacos elevados.
El primer aparato elemento que podramos considerar como una
mquina propiamente dicha, por poseer partes mviles, es la conocida
como mquina de vapor de Thomas Newcomen construida en 1712. La
innovacin consisti en la utilizacin del vaco del cilindro para
mover un pistn que a su vez provea 5
movimiento a un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba
convencional de las llamadas aspirante-impelente y con ella
comienza la historia de las mquinas trmicas.
La mquina de Newcomen fue perfeccionada por un ingeniero ingls
llamado Johon Smeaton, el perfeccionamiento consisti en la
optimizacin de los mecanismos, cierres de vlvulas, etc. El anlisis
de las magnitudes que entran en juego en el funcionamiento de la
mquina de vapor y su cuantificacin fi introducido por James
Watt.
El mayor obstculo que encontr Watt fue el desconocimiento de los
valores de las constantes fsicas involucradas en el proceso, a raz
de ello debi realizar un proceso de mediciones para contar con
datos confiables.
Sus mediciones experimentales le permitieron verificar que la
mquina de Newcomen solo usaba un 33% del vapor consumido para
realizar el trabajo til.
Los aportes de Watt son: el prensaestopas, introdujo la bomba de
vaco, ensay un mecanismo que convirtiera el movimiento alternativo
en rotacional, en 1782 patent la mquina de doble efecto, ide
vlvulas de movimiento vertical, cre el manmetro para medir la
presin del vapor y un indicador que poda dibujar la evolucin
presinvolumen del vapor en el cilindro a lo largo de un ciclo.,
realiz experimentos para definir el llamado caballo de fuerza.
Determin que un caballo poda desarrollar una potencia equivalente a
levantar 76 Kg. hasta una altura de 1 metro en un segundo.
En agosto de 1807 Robert Fulton puso en funcionamiento el primer
barco de vapor de xito comercial, el Clermont.
George Stephenson fu el primero que logr instalar una mquina de
vapor sobre un vehculo terrestre dando inicio a la era del
ferrocarril.
En 1829 la locomotora llamada Rocket recorri 19 km en 53minutos
lo que fue un record para la poca.
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ETAPA CIENTFICA.
Sadi Carnot, el fundador de la termodinmica como disciplina
terica. Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir
haciendo notar que fue quien desarroll el concepto de proceso
cclico y que el trabajo se produca enteramente "dejando caer" calor
desde una fuente de alta temperatura hasta un depsito a baja
temperatura. Tambin introdujo el concepto de mquina reversible.
El principio de Carnot establece que la mxima cantidad de
trabajo que puede ser producido por una mquina trmica que trabaja
entre una fuente a alta temperatura y un depsito a temperatura
menor, es el trabajo producido por una mquina reversible que opere
entre esas dos temperaturas. Por ello demostr que ninguna mquina
poda ser ms eficiente que una mquina reversible.
Posteriormente Clausius y Kelvin, undadores de la termodinmica
terica, ubicaron el principio de Carnot dentro de una rigurosa
teora cientfica estableciendo un nuevo concepto, el segundo
principio de la termodinmica.
Carnot tambin establece que el rendimiento de cualquier mquina
trmica depende de la diferencia entre temperatura de la fuente mas
caliente y la fra. Las altas temperaturas del vapor presuponen muy
altas presiones y la expansin del vapor a bajas temperaturas
produce grandes volmenes de expansin. Esto produca una cota en el
rendimiento y la posibilidad de construccin de mquinas de
vapor.
James Prescot Joule se convenci rpidamente de que el trabajo y
el calor eran diferentes manifestaciones de una misma cosa. Su
experiencia mas recordada es aquella en que logra medir la
equivalencia entre el trabajo mecnico y la cantidad de calor. En el
ao 1850 Clausius descubri la existencia de la entropa y enunci el
segundo principio:
Es imposible que una mquina trmica que acta por s sola sin
recibir ayuda de ningn agente externo, transporte calor de un
cuerpo a otro que est a mayor temperatura. 7
En 1851 Lord Kelvin public un trabajo en el que compatibilizaba
los estudios de Carnot, basados en el calrico, con las conclusiones
de Joule, el calor es una forma de energa, comparti las
investigaciones de Clausius y reclam para s el postulado del primer
principio que enunciaba as:
Es imposible obtener, por medio de agentes materiales
inanimados, efectos mecnicos de cualquier porcin de materia
enfrindola a una temperatura inferior a la de los objetos que la
rodean.
CICLOS TERMODINAMICOS
Todas las relaciones termodinmicas importantes empleadas en
ingeniera se derivan del primer y segundo principios de la
termodinmica. Resulta til tratar los procesos termodinmicos
basndose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado
original despus de una serie de fases, de manera que todas las
variables termodinmicas relevantes vuelven a tomar sus valores
originales. En un ciclo completo, la energa interna de un sistema
no puede cambiar, puesto que slo depende de dichas variables. Por
tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al
trabajo total neto realizado por el sistema. Un motor trmico de
eficiencia perfecta realizara un ciclo ideal en el que todo el
calor se convertira en trabajo mecnico. El cientfico francs del
siglo XIX Sadi Carnot, que concibi un ciclo termodinmico que
constituye el ciclo bsico de todos los motores trmicos, demostr que
no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor trmico pierde
parte del calor suministrado. El segundo principio de la
termodinmica impone un lmite superior a la eficiencia de un motor,
lmite que siempre es menor del 100%. La eficiencia lmite se alcanza
en lo que se conoce como ciclo de Carnot.
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CICLO DE CARNOT
En 1824 el ingeniero francs Sadi Carnot estudi la eficiencia de
las diferentes mquinas trmicas que trabajan transfiriendo calor de
una fuente de calor a otra y concluy que las ms eficientes son las
que funcionan de manera reversible. Para ello dise una mquina
trmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de
calor de temperaturas fijas. Esta mquina se conoce como la mquina
de Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot
Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo
de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1 del foco
caliente a la temperatura T1, produciendo un trabajo W, y cediendo
un calor Q2 al foco fro a la temperatura T2. En un motor real, el
foco caliente est representado por la caldera de vapor que
suministra el calor, el sistema cilindro-mbolo produce el trabajo,
y se cede calor al foco fro que es la atmsfera
La mquina de Carnot tambin puede funcionar en sentido inverso,
denominndose entonces frigorfico. Se extraera calor Q2 del foco fro
aplicando un trabajo W, y cedera Q1 al foco caliente. En un
frigorfico real, el motor conectado a la red elctrica produce un
trabajo que se emplea en extraer un calor del foco fro (la cavidad
del frigorfico) y se cede calor al foco caliente, que es la
atmsfera.
Se define ciclo de Carnot como un proceso cclico reversible que
utiliza un
gas
perfecto, y que consta de dos transformaciones isotrmicas y dos
adiabticas, tal como se muestra en la figura.
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LA MAQUINA DE CARNOT
La mquina de Carnot puede pensarse como un cilindro con un pistn
y una biela que convierte el movimiento lineal del pistn en
movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un
gas ideal y la mquina funciona intercambiando calor entre dos
fuentes de temperaturas constantes T 1 < T2. Las transferencias
de calor entre las fuentes y el gas del cilindro se hacen
isotrmicamante, es decir, manteniendo la temperatura constante lo
cual hace que esa parte del proceso sea reversible. El ciclo se
completa con una expansin y una compresin adiabticas, es decir, sin
intercambio de calor, que son tambin procesos reversibles.
La mquina funciona consta de cuatro transformaciones las cuales
son:
1) Expansin isotrmica. Se parte de una situacin en que el gas
ocupa el volumen mnimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la
presin es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de
temperatura T 2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella
mientras el gas se va expandiendo a consecuencia de la elevada
presin del gas. El gas al expandirse tiende a enfriarse, pero
absorbe calor de T 2 y as mantiene su temperatura constante durante
esta primera parte de la expansin. El volumen del gas aumenta
produciendo un trabajo sobre el pistn que se transfiere al
movimiento circular. La temperatura del gas permanece constante
durante esta
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parte del ciclo, por tanto no cambia su energa interna y todo el
calor absorbido de T 2 se convierte en trabajo.
dQ1 = dW 1 >= 0 , dU1 = 0 2) Expansin adiabtica. La expansin
isotrmica termina en un punto preciso tal que el resto de la
expansin, que se realiza adiabticamente (es decir sin intercambio
de calor, el cilindro se mantiene totalmente aislado de cualquier
fuente de calor), permite que el gas se enfre hasta alcanzar
exactamente la temperatura T 1 en el momento en que el pistn
alcanza el punto mximo de su carrera y el gas su alcanza su volumen
mximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas
proviene de su energa interna.
dQ2 = 0 , dU2 = dW 2 >= 0 3) Compresin isotrmica. Se pone la
fuente de calor de temperatura T 1 en contacto con el cilindro y el
gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va
cediendo calor a la fuente fra T2. Durante esta parte del ciclo se
hace trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece
constante, la energa interna del gas no cambia y por tanto ese
trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1. dQ3 = dW
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