Máquina térmica
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Máquina térmica
Sumario
Definición
Una Máquina Térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el término máquina térmica se utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. Entre las que tenemos las maquinas refrigerantes y las bombas de calor. El mejor ejemplo de estas maquinas térmicas son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno. Una máquina térmica 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. 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.
Características del ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin importar la cantidad de calor que se transfiera permanecen constantes. Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se podría invertir. El fluido de trabajo de una máquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatu ra infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la fuente de baja temperatura e el caso de un refrigerador. Postulado de la segunda ley asociado a las Máquinas térmicas y Máquinas Refrigerante Enunciado de Kevin-Planck: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo dispositivo. Este enunciado propone que es imposible construir una maquina térmica a la cual se le aplique cierta cantidad de calor y lo transforme en una cantidad igual de trabajo, la única manera es a través de una transferencia de calor y eso solo si hay dos niveles de temperatura.
Enunciado de Clausius
Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo mas frio a otro mas caliente. En este enunciado se relaciona con el refrigerador o bomba de calor. En efecto establece que es imposible construir un refrigerador que funcione sin suministrarle trabajo. Ya que el ciclo de refrigeración necesita que al fluido de trabajo se le aplique un trabajo en el compresor. Estos dos enunciados tienen tres particularidades:
- La primera es que la base de la segunda ley viene dado por la evidencia experimental ya que se han realizado varios experimentos que directa o indirectamente demuestran la segunda ley y nunca se ha realizado nunca una prueba que demuestre lo contrario.
- La segunda observación es que estos dos enunciados son equivalentes o sea que una violación del enunciado de Kevin-plack significaría una violación del enunciado de Clausius.
- La tercera es la imposibilidad de construir una maquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.
Eficiencia de una Máquina Térmica
Se dice que la eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía que cuesta pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una máquina térmica, la energía que se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura ( costo del combustible) la eficiencia térmica se define como:
ðTérmica = W (Energía que se busca) = Qh - Ql = 1 - Ql
Qh (Energía que cuesta) Qh Qh
La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de rendimiento, que se identifica con el símbolo ðð En un refrigerador, la energía que se busca es el calor que se transfiere desde el espacio refrigerado. La energía que cuesta es el trabajo, así el coeficiente de rendimiento, ð, es:
ð = Ql (Energía que se busca) = Ql = 1
W ( Energía que cuesta) Qh - Ql Qh/Ql - 1
En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es:
ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1
W ( Energía que cuesta) Qh - Ql 1- Ql/Qh
Máquinas Refrigerantes y Bombas de Calor
En una máquina refrigerante o refrigerador el fluido de trabajo es el refrigerante como R- 12, R - 22, R - 134ª, R - 407c, Agua destilada y el amoniaco, que pasa por un ciclo termodinámico. El cual comienza en el compresor al cual entra refrigerante a baja presión y temperatura en un estado de vapor saturado y sale como vapor sobrecalentado alta presión llega al condensador donde el refrigerante se condensa transfiriendo el calor al agua o al entorno de manera natural o por flujo forzado, del condensador sale como vapor húmedo y pasa a la válvula de expansión en donde baja su presión y pasa al evaporador donde todo el refrigerante se evapora mediante una transferencia de calor del entorno al fluido de trabajo, este vapor entra nuevamente al compresor cumpliéndose el ciclo.
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: altenativas, 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.
Procesos Involucrados:
El ciclo que sigue el portador de energía en el motor rotativo es bastante parecido al ciclo Otto para motores alternativos de cilindro-pistón a gasolina. Este puede ser un análisis general, pero básicamente el motor rotativo que ocupa el análisis en este trabajo es el motor RENESIS del Mazda RX-8 (gasolina sin plomo 95 octanos - encendido mediante 2 bujías). Dada la geometría del motor, se realizan tres ciclos por cada vuelta del rotor, lo que equivaldría a decir que se realiza un ciclo por cada vuelta del eje (cigüeñal). La mezcla aire-combustible pasa entonces por los cuatro procesos ya conocidos: admisión, compresión, ignición y expulsión; que como ya se explicó se modelan para efectos de análisis como los cuatro procesos que componen al ciclo Otto:
- Adiabático de compresión: La mezcla aire-combustible se comprime sin transmisión de calor. El
rotor gira comprimiendo los gases admitidos durante aproximadamente 120° en su recorrido.
- Isocóro con transmisión de calor: Se idealiza el proceso de combustión por una transmisión de calor al portador de energía a volumen constante (PMS). El lado del rotor queda frente a las dos bujías.
- Adiabático de expansión: El portador de energía a alta temperatura se expande sin transmisión de calor. Se ejerce la presión contra el rotor, generando el trabajo útil, desde el PMS al PMI.
- Isócoro con transmisión de calor: El proceso se realiza a volumen constante y se libera calor, aquí se completa el ciclo y el flujo de calor al foco de baja temperatura. El rotor queda frente a la lumbrera de escape y se expulsan los gases de combustión.
Análisis Energético:
Una vuelta completa del rotor es equivalente a 3 ciclos, y dado que el eje gira tres veces más rápido que el rotor; tenemos un ciclo cada vuelta de cigüeñal. Este análisis previo nos permite establecer la equivalencia y decir que un motor rotativo de un rotor es equivalente a tener un motor de cuatro tiempos con dos cilindros, en términos de ciclos completados por vuelta de cigüeñal.
Conclusión
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 termino llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la industria por que permiten determinar cual 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 que 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.
