Máquinas Térmicas

¿Qué son las máquinas térmicas?¿Cómo funcionan? Tipos de máquina Diagramas termodinámicos

Antonio Vives

Definición

Se denomina Máquina térmica a aquel sistema y/o mecanismo que realiza un ciclo convirtiendo el calor en trabajo.

La Máquina térmica no debe sufrir ninguna variación permanente, después de su utilización debe quedar como al inicio.

El proceso a partir del cual se produce el trabajo se llama ciclo. El ciclo de una máquina térmica es siempre un ciclo cerrado.

En general la máquina absorberá o perderá calor durante los diversas etapas

del ciclo de trabajo.

Fundamento de las máquinas térmicas

1er Principio de la termodinámica

Q=W+ΔU ; Rendimiento nunca 100%

2º Principio de la termodinámica:

Es imposible la transferencia de calor de un foco frío a otro caliente

(sin aporte de energía)

Kelvin: No es posible ningún proceso cuyo resultado sea la conversión completa de calor en trabajo.

Clausius: No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.

Diferencia Maquina térmica y máquina frigorífica

Maquina térmica Máquina frigorífica

Trabajo efectuado

El trabajo realizado por la máquina en un ciclo será el área del ciclo recorrido.

Si se trata de una máquina térmica ese trabajo será positivo ya que el área se calculará en el sentido del ciclo calculando el área de cada transformación, teniendo en cuenta que cuando se produce una expansión el trabajos será + y cuando se produce una compresión el w será -.

Por tanto el trabajo obtenido o realizado por la máquina no depende solo del estado final e inicial de la máquina, sino que también depende del camino recorrido.

Clasificación de las máquinas térmicas

Combustión externa: Alternativas (Máquina de vapor) Rotativas (Turbina de gas ciclo cerrado)

Combustión interna: Alternativas (Motor explosión) Rotativas (Turbina de gas ciclo abierto)

Ciclo de Carnot

Es un ciclo ideal formado entre 2 isotermas y 2 adiabáticas

•1-2 Expansión isoterma w = RTcLn(V2/V1) como V2>V1 saldrá w= +

•2-3 Expansión adiabática w = -Cv(Tf-Tc) ; como Tc>Tf saldrá w = +

•3-4 Compresión isoterma w = RTcLn(V4/V3) como V3>V4 saldrá w= -

•4-1Expansión adiabática w = -Cv(Tc-Tf) ; como Tc>Tf saldrá w = -

El trabajo total será la suma de todos los trabajos

El rendimiento será:

Tc

Tf1

Ciclo de Carnot

Máquina de vapor

Fue la primera máquina en convertir energía térmica en mecánica.

Su funcionamiento se basa en calentar agua a alta presión para elevar su temperatura hasta un vapor saturado. Una vez sobrecalentado ese vapor se deja escapar por un cilindro que convierte la energía en mecánica. Se vuelve a condensar el agua y esta otra vez preparada para ser enviada por la bomba al calentador.

Máquina de Vapor

Ciclo máquina de vapor

Ciclo Rankine 1-2 Se calienta el líquido en la

caldera a P=cte. 2-3 Se cede la energía en la turbina

bajando la temperatura del líquido 3-4 En el condensador se vuelve a

licuar el líquido a P=cte 4-5 se aumenta la presión

introduciendo el líquido en el precalentador a través de la bomba, con un pequeño incremento de temperatura del líquido

5-1 Empieza a aumentar la temperatura del líquido en el precalentador antes de ser introducido en la caldera

Motor alternativo de combustión interna

Partes del motor de combustión interna

Relación de compresión

Es la relación entre el volumen total y el volumen de la cámara de combustión

Rc = V1/ V2 Vo volumen entre el PMS y PMI V2 volumen de la cámara de

combustión V1 Volumen total Vo + V2 Cilindrada = Vo· núm. cilindros Rendimiento = Rtérmico·Rmecánico Rendimiento térmico

1

11 r

δ=Coeficiente adiabático de los gases (normalmente 1,4)

Ciclo de cuatro tiempos

Ciclo de dos tiempos

Ciclos Otto. El ciclo idealizado es:

1-2 Compresión adiabática, se comprime el pistón y el combustible

2-3 Absorción instantánea de calor a V=cte, se produce la explosión.

3-4 Expansión adiabática, se produce la expansión del pistón, es cuando se produce trabajo.

4-1 Extracción de instantánea de calor a V=cte, se produce la expulsión de gases y se prepara para la entrada de aire limpio.

Ciclos Diesel El ciclo idealizado es:

1-2 Compresión adiabática, se comprime el pistón y se prepara la inyección del combustible

2-3 Absorción calor a P=cte, se produce la combustión.

3-4 Expansión adiabática, se produce la expansión del pistón , es cuando se produce trabajo.

4-1 Cesión de calor a V=cte, se produce la expulsión de gases y se prepara para la entrada de aire limpio.

Ciclos reales Otto y Diesel .

El ciclo real de los diagramas ideales anteriores es el que podemos ver en la figura adjunta

Balance energético. Diagrama Sankey

El rendimiento de los motores térmicos suele ser muy bajo.

Como se puede ver en el diagrama adjunto aproximadamente un 25% de la energía se pierde por el escape, otro 25% en el circuito de refrigeración y otro 25% en la radiación.

Solo un 25% de la energía sería aprovechable en este caso.

Fundamento del motor Turbo

Una Forma de mejorar el rendimiento en este tipo de motores es aprovechar los gases que salen para comprimir el aire que entra en el motor y así mejorar el rendimiento del mismo, esto es lo que se conoce con el nombre de turbo.

Sistemas de refrigeración El ciclo idealizado es:

1-2 Expansión, se baja la presión aumentando el volumen a través de la válvula de expansión, por lo que la temperatura del gas disminuye.

2-3 Absorción calor a P=cte, de dentro de la cámara a través del condensador.

3-4 Compresión del gas que ya ha absorbido todo el calor del intercambiador .

4-1 Cesión de calor a P=cte, dentro del enfriador, donde se intercambia el calor adquirido con el del medio.

Bomba de calorUna aplicación del ciclo de refrigeración es utilizarlo de manera inversa, lo que se conoce como bomba de calor:

• 1-2 Cogemos el gas del exterior y lo comprimimos y el calor que tiene lo entramos al condensador

• 2-3 El calor que tenia el gas se intercambia con el foco caliente, ya que al comprimirlo el gas está más caliente que el foco caliente, que es dentro de la vivienda y pierde ese calor.

• 3-4 Se expande, con lo que pierde temperatura y esta más frío que el foco frío, se va al evaporador a volver a coger calor del foco frío.

• 4-1 Toma calor del foco frío para volver a entrar al interior a través del compresor.