Máquinas Termicas

Máquina térmica

Historia

La evolución de la humanidad ha estado estrechamente ligada a la utilización de la energía en sus diferentes formas.

El descubrimiento, producción y control del fuego marcan el primer acontecimiento importante en la historia de la humanidad. A partir de esta experiencia el hombre ha encontrado nuevas fuentes de energía o formas distintas de aprovecharla, las cuales le han permitido lograr grandes progresos en su evolución, cultura, alimentación, etcétera.

En la década 1930-40, un grupo de científicos llevaron a cabo experimentos que culminaron con la fisión o ruptura de los núcleos del átomo de uranio-235, logrando que una pequeña parte de materia se transformara en energía.

Con la tecnología actual, la energía liberada en la fisión mediante reactores nucleares se utiliza, entre otras cosas, para la producción de energía eléctrica mediante pérdidas y ganancias de calor. En la República Mexicana existen dos reactores nucleares que operan en Laguna Verde, Veracruz, y cuentan con una potencia de generación de 1 300 mega watts.

Asimismo, por medio de la captación de rayos solares en foto celdas, el hombre ha transformado la energía solar en energía eléctrica. Los sistemas foto voltaicos transforman directamente la energía solar en electricidad. En México existen más de 2 mil sistemas foto voltaicos instalados en diversas poblaciones, los cuales se aplican en alumbrado, telecomunicaciones y otros usos.

Mediante sistemas solares foto térmicos la energía solar se utiliza para calentar agua; por ejemplo: el Centro Hospitalario 20 de Noviembre del ISSSTE, en la Ciudad de México, cuenta con un sistema fototérmico de alta tecnología que puede calentar –según la época del año– diariamente 80 mil litros de agua a 50 °C.

Otra forma de generar energía eléctrica con base en el calor es la geotermia, que consiste en la captación y transformación del calor interno de la Tierra para obtener energía eléctrica.

México, por encontrarse en una zona de gran actividad volcánica, cuenta con importantes zonas geotérmicas, destacando las de los estados de Baja California, Hidalgo y Michoacán.

De esta forma, los estudios acerca del calor tienen numerosas aplicaciones prácticas en ingeniería, arquitectura y ecología, entre otras.

Definición de Maquina Térmica

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. Por el contrario, en una máquina hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la variación de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de los efectos mecánicos y el análisis de los efectos térmicos, llegando a despreciar los efectos térmicos en gran parte de los casos. Tal es el caso de una bomba hidráulica, a través de la cual pasa líquido. Alejándose de lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también puede considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues, aunque el aire es un fluido compresible, la variación de volumen específico no es muy significativa con el propósito de que no se desprenda la capa límite. En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía. Una máquina térmica convierte 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.

Máquina térmica y motor térmicoEn un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacción de combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida.

Funcionamiento

Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco claiente hasta un foco frio. Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida integralmente por esta como trabajo: una parte de la energía debe ser transferida como calor. Por ello las máquinas térmicas constan de dos partes:

* Un foco caliente, que cede energía a la máquina mediante calor.

* Un foco frío, que recibe energía de le máquina también mediante calor.

* Absorbe una cantidad de calor Q1 de un foco caliente a una temperatura T1

* Produce una cantidad de trabajo W

* Cede una cantidad de calor Q2 a un foco frío a una temperatura T2

Como la máquina debe trabajar en ciclos, la variación de energía interna es nula. Aplicando el Primer Principio el trabajo producido se puede expresar:

En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S. I. de Unidades se mide en Watios (J/s)

Enunciado de Kelvin-Planck

"No es posible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo."

Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor

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