Repblica Bolivariana de Venezuela.Ministerio para el Poder Popular para la Educacin SuperiorInstituto Universitario de TecnologaDr. Federico Rivero PalacioDepartamento de Mecnica

Mquinas Trmicas

Elaborado por Prof. de la materia Guijarro Jhonny Ing. Sosa C.I 19.274.104

Junio, 2014

La maquina de Savery

La maquina de Savery tuvo una breve historia. Inventada en 1698 por el capitn Thomas Savery, empez a ser reemplazada por la maquina de Newcomen a partir de 1712, y ya en 1730 dejo de ser usada. El nico uso de esta maquina fue de bombear agua fuera de las minas, en lo cual reemplazo a los caballos. Era una maquina atmosfrica, es decir, la potencia era provista por la presin de la atmosfera (no tenia pistn). Como consecuencia poda elevar agua solo alrededor de 32 pies, que es la altura a la cual la presin de una columna de agua iguala a la de la atmosfera. El agua puede ser forzada ms alto hacia una reserva por la presin del vapor, pero entonces toda la presin del vapor aparece en el calentador, y al crecer la elevacin crece la presin resultante en el calentador hacindose muy peligrosa. La mxima presin adicional era probablemente de alrededor de 2 atmosferas, o otros 60 pies. Incluso esto poda producir que el calentador explotara.

El funcionamiento de la maquina era el siguiente: una vlvula es abierta para llenar el cilindro con vapor. La vlvula se cierra, y se abre otra vlvula. El cilindro es enfriado por el agua, el vapor se condensa, y agua de una reserva mas baja llena el cilindro. La segunda vlvula es entonces cerrada, y se vuelve a abrir la primera vlvula, siendo expelida el agua hacia la reserva superior a travs de las vlvulas de un solo sentido. El proceso continua cerrando la vlvulas uno y abriendo la vlvula dos, repitiendo el ciclo.La maquina tiene la tendencia de llenarse de aire, ya que el aire disuelto en el agua es llevado hacia afuera por el calor en el calentador, y el aire no puede ser condensado por el agua fra. Este problema puede ser resuelto usando vapor a travs de la tubera principal hacia la reserva superior para sacar el aire acumulado.

Figura 1. Mquina inventada por Thomas Savery. Fuente: http://www.librosmaravillosos.com/lifemaquinas/capitulo03.html

Debido a las altas presiones que esta maquina requera es que fue reemplazada, ya que los metales de la poca no podan soportar la presin necesaria.

La maquina de Newcomen

La maquina de Newcomen tuvo una vida util mas larga que la maquina de Savery, y fue mucho mas exitosa. Fue desarrollada por Thomas Newcomen en 1712 , y comenzo a ser reemplazada, por la maquina de watt, en 1770. Alrededor de 1800 ya era completamente obsoleta. Al igual que la maquina de Savery, era una maquina atmosferica, obteniendo la potencia de la presion de la atmosfera, y su uso casi exclusivo era bombear agua fuera de las minas. Sin embargo, al contrario de la maquina de Savery, la maxima distancia a la que se podia elevar agua no estaba limitada por la maquina sino por las bombas asociadas.Artesano del hierro y herrero en Darmouth, Gran Bretaa, Newcomen fue contratado para la mantencion de una maquina de Savery en Cornwall. Modificandola obtuvo una maquina que funcionaba a 12 revoluciones por minuto, subia 540 litros de agua por minuto sobre 46 metros. Aproximadamente daba 5 hp, y tenia una eficiencia termal de 0.5% .

Figura 2. Mquina de vapor Newcomen, empleada para vaciar de agua los diques de carena del Arsenal de La CarracaFuente: W. Taylor(1959)

El funcionamiento era el siguiente: con la vlvula uno abierta y la dos cerrada, vapor del calentador llena el cilindro mientras que el pistn sube movido por el peso de la bomba. La entrada de vapor fuerza todo el aire hacia fuera por una vlvula, previniendo que se llene el cilindro de aire. Cuando el pistn llega al tope superior de su recorrido, el movimiento hacia arriba de la leva dos abre la vlvula dos (mientras que otra leva cierra la vlvula uno) haciendo que el agua helada entre al cilindro. Luego el vapor es condensado y la fuerza de la presin atmosfrica mueve hacia abajo el pistn hacia el vacio resultante, accionando la bomba de agua. Cuando el pistn llega al tope inferior de su recorrido, el movimiento hacia abajo de la leva uno cierra la vlvula dos ( y la otra leva abre la vlvula uno) , repitiendo as el ciclo. El vapor condensado y el agua caliente condensada son devueltos al calentador, ahorrando asi calor; esto ltimo es una pequea mejora posterior, introducida alrededor de 1718, mediante el uso de vlvulas automticas.

La maquina de Newcomen no usaba vapor a alta presin, y por lo tanto era segura, confiable y bsicamente simple. No hacia exigencias mas all de los muy limitados recursos tcnicos de principios del siglo XVIII. Era asimismo una maquina poderosa, econmica al menos y generalmente superior a cualquier otro mtodo de bombear agua.

Siguiendo a su invencin y uso en Inglaterra, la maquina de Newcomen fue rpidamente adoptada en toda Europa para el uso de drenaje de minas. En 1726 fue Suecia, y en 1725 en las zonas mineras de Eslovaquia. La maquina fue de a poco desarrollada por experimentacin emprica, especialmente por J. Smeaton (1750 - 1775).

Laeolpila

Laeolpilaes la precursora de la mquina de vapor. El artefacto mecnico diseado con este nombre consista en un gran caldern metlico sellado, lleno de agua, que se colocaba sobre el fuego. Los chorros de vapor que escapaban por dos salientes en forma de L provocaban la rotacin de la mquina. Este ingenio fue utilizado sobre todo como entretenimiento, y no hubo ms investigaciones sobre el vapor como fuente de energa hasta la mquina de Papn, en 1681.

Una de las aplicaciones de su invento "la Maquina de vapor" y que podemos destacar, son las llamadas puertas de Alejandra, las cuales, son un sistema automatizado de apertura y cierre de las mismas. La explicacin de esto es la siguiente: El fuego calienta el aire del depsito hueco que hay debajo del mismo. Al aumentar la presin del aire debido a la temperatura, el agua de la bola se desplaza hacia el cubo. Y, en consecuencia, el peso del cubo hace girar los ejes de las puertas, abrindolas.

Figura 3 Laeolpilaaplicada en las pertas de alejandriaFuente: http://www.iesfranciscoasorey.com/inventos/enlaces/griegos.html

Cuando el fuego se apaga, ocurre el proceso contrario. El aire se enfra y disminuye su volumen, el agua se absorbe de nuevo hacia la bola con lo cual las puertas se cierran por la accin del contrapeso.

La mquina de watt

El rendimiento de la mquina de Newcomen era poco satisfactorio, ms que nada porque el vapor se enfriaba en el propio cilindro. De ello se dio cuenta un mecnico escocs llamado James Watt (1736-1819), quien al reparar una mquina de Newcomen introduce en las importantes modificaciones. Hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador, que conecta con un tubo al cilindro al que, adems, cierra por sus dos extremos. De esta forma se poda mantener siempre caliente el cilindro, ahorrndose una importante cantidad de combustible. Adems introducira otros adelantos en su mquina, como un mecanismo para regular la distribucin del vapor, mquina de doble efecto, y una varilla que une el mbolo con un balancn articulado, la biela, por lo cual el movimiento rectilneo se hace circular.

No obstante al cientfico britnico James Prescott Joule (1818-1889) realizar las estimaciones cuantitativas precisas del equivalente mecnico del calor esto es entre el trabajo mecnico realizado y el calor producido. Joule demostr que la aparicin o desaparicin de una cantidad dada de calor va siempre acompaada de la desaparicin o aparicin de una cantidad equivalente de energa mecnica. A travs de la realizacin de una serie de experimentos comprob que siempre que sobre un sistema se realizaba la misma cantidadtrabajofuera este de origen mecnico, elctrico o qumico se obtena la misma cantidad de calor, sentando as las bases para la compresin moderna delcalory deltrabajocomo formas de transferencia de energa y la determinacin cuantitativa de la equivalencia entre ellas.

Figura 4 Maquina de vapor de WattFuente: http://www.iesfranciscoasorey.com/inventos/enlaces/griegos.html

Experimento de Joule

El experimento clsico de Joule fue diseado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( C). El instrumento de Joule consista de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependa de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor deparedes adiabticas(paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conduccin de calor. Las pesas caan a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se produca trabajo sobre el agua. Despreciando la energa que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecnico realizado sobre el agua es igual a la prdida de energa mecnica de las pesas que caen. La prdida de energa potencial puede medirse fcilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masam) caen desde una distanciah, la perdida de energa potencial es igual amgh. Esta energa causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termmetro).El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecnico o Julios (J, en honor a Joule se dio su nombre a la unidad de energa del sistema internacional, SI) para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 C. Una vez establecida la equivalencia experimental entre energa y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinacin del valor de la calora en unidades normales de energa. Este resultado nos dice que 4.18 J de energa mecnica son equivalente a 1 calora de energa trmica, y se conoce por razones histricas con el nombre deequivalente mecnico del calor.

Medidas ms precisas hechas posteriormente han determinado que 4,186 J/g C cuando la temperatura del agua se incrementa de 14.5 C a 15.5 C. Tradicionalmente se ha seguido expresando la energa trmica en caloras para luego convertirlas utilizando el equivalente mecnico del calor en las unidades estndar de energa mecnica. Hoy en da todas las formas de energa se expresan normalmente en Julios.Como resultado de los experimentos de Joule y de otros experimentos posteriores, se interpreta que el calor no es una sustancia, ni una forma de energa, sino ms bien como una forma de transferencia de energa, cuando el calor fluye de una objeto fro a otro caliente, es la energa la que est siendo transferida desde el fro al caliente. As el calor es energa que es transferida desde un cuerpo a otro debido a su diferencia de temperatura.

Referencia bibliogrficas

W. Taylor,Physics(1959, The Pioneer Science,Volumen 1: Mechanics Heat, Sound, Dover Publications, Nueva York.B. A. Smith, Wollaston's(1980) cryophorus-precursor of the heat pipe ,Phys. Educ.,15, 310,A. Rupert Hall,From Galileo to Newton,(1981) ,Dover Publications, Nueva York pg. 320.Ll. W. Taylor,A History of Mechanical Inventions,Dover Publications, Nueva York 1982, pgs. 345-346.

Fuente: http://www.iesfranciscoasorey.com/inventos/enlaces/griegos.htmlFuente: http://www.iesfranciscoasorey.com/inventos/enlaces/griegos.htFuente: W. Taylor(1959).Fuente: http://www.librosmaravillosos.com/lifemaquinas/capitulo03.html