Termodinámica: Procesos, Ciclos y Máquinas Térmicas

Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso es reversible cuando, con un cambio muy pequeño en el ambiente, podemos hacer que recorra su trayectoria a la inversa. Si ponemos en contacto dos cuerpos, uno con más temperatura que el otro, el caliente bajará de temperatura y el frío aumentará. Una transformación es reversible cuando la temperatura y las presiones se encuentran en equilibrio.

Ciclo de Carnot

El ingeniero francés Carnot fue el primero que abordó el problema del rendimiento de un motor térmico, prescindiendo de los detalles de funcionamiento y enfocando el problema hacia los tres hechos siguientes: al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada; el calor realiza trabajo mecánico; el motor cede calor a temperatura inferior.

El ciclo de Carnot, propuesto en 1824, supone que la sustancia que realiza el ciclo reversible dentro de un cilindro de un motor es un gas ideal y que el motor funciona entre dos focos de calor: el caliente a temperatura Tc, y el frío a temperatura Tf. El ciclo se realiza en cuatro tiempos.

Motores Térmicos. Clasificación

Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo.

Las fuentes de energía térmica son la energía nuclear o la energía solar.

Clasificación según el proceso de combustión

1. Motores de combustión externa: Son aquellos en los que el calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. (Máquinas de vapor y turbinas de vapor)
2. Motores de combustión interna: La combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor. (Motores de explosión, los motores Diésel, las turbinas de gas de ciclo abierto…)

Clasificación según la forma de obtener energía mecánica

1. Motores alternativos: En los cuales el fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada.
2. Motores rotativos: En los que el fluido actúa sobre pistones rotantes o sobre turbinas.
3. Motores de chorro: En los que el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción.

Máquinas de Combustión Externa. Máquinas Motrices de Vapor

El agua de la bomba entra en la caldera en su fase líquida. En la caldera, el agua líquida absorbe el calor, eleva su temperatura hasta la ebullición y se obtiene un vapor saturado. Este vapor sigue aumentando la temperatura en el supercalentador, consiguiéndose un vapor sobrecalentado. Este vapor entra en los cilindros o en la turbina, y convierte la energía térmica que posee el vapor en energía mecánica.

Motor Alternativo de Combustión Externa

Una máquina de vapor que tiene en su interior un pistón, que divide al cilindro en dos zonas. El cilindro se mueve de forma alternativa, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema biela-manivela del que forma parte un volante de inercia. Por encima del cilindro se desplaza de forma horizontal un distribuidor unido al volante.

Motor Rotativo de Combustión Externa. Turbina

El vapor pasa a través de unas toberas en las cuales pierde presión y gana velocidad. La turbina está formada por un rodete que tiene un conjunto de paletas, las cuales absorben la energía de la corriente produciendo la rotación del eje.

Motor de Combustión Interna

1. Motores rotativos turbina de gas: Principales elementos de la turbina de gas:

• Compresor: De tipo axial y radial, transforma la energía cinética del aire en energía de presión.
• Cámara de combustión: Es el lugar donde llega el aire comprimido, al que se le inyecta combustible. Transforma la energía de presión en cinética.
• Turbina: El gas es lanzado con energía cinética contra los álabes del rotor y en diferentes etapas pierde su energía cinética para transformarse en mecánica, que es aprovechada para mover el propio compresor (ej: generar e. eléctrica).

Motores de combustión interna alternativos

Un motor alternativo es el que transforma la energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones, deslizándose con movimiento lineal por otros tantos cilindros.

Funcionamiento del motor alternativo:

Primer tiempo admisión: el pistón al ascender desde el punto muerto superior, crea un cierto vacío en el cilindro que hace que este aspire el aire o la mezcla gaseosa combustible a través de la válvula de admisión que permanece abierta.

Segundo tiempo: Compresión: la válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior, momento en el que este empieza a subir de nuevo comprimiendo la carga.

Tercer tiempo: Expansión: justo antes de que finalice la compresión se produce la inflamación del combustible, produciéndose trabajo y aumentando presión y temperatura.

Cuarto tiempo: Escape: se abre la válvula de escape, el pistón asciende y los gases de la combustión son evacuados al exterior.

Lubricación: se realiza mediante un circuito de aceite a presión. El aceite se halla en un depósito situado debajo de la bancada, denominado Cárter.

Refrigeración: se produce con aire o por agua.

Principio de Funcionamiento de los Circuitos Frigoríficos

La refrigeración consiste en conseguir mantener un objeto o lugar a una determinada temperatura inferior a la del entorno que le rodea.

Componentes de una instalación frigorífica:

• Compresor: Es el elemento mecánico que se encarga de aspirar los vapores fríos provenientes del evaporador a una presión baja y descargar estos vapores comprimidos a una mayor presión y temperatura a la entrada del condensador.
• Condensador: Es un intercambiador de calor, los condensadores pueden ser de aire o de agua. El aire puede circular de forma natural o forzada por un ventilador que haga aumentar la transferencia de calor. El agua puede ser: tubos concéntricos a contracorriente, de inmersión, etcétera.
• Evaporador: Permite que el fluido refrigerante absorba el calor a una presión constante, y a la temperatura también constante del evaporador. La mezcla líquido y vapor que hay a su entrada al absorber calor va aumentando la cantidad de vapor, hasta convertirse en vapor saturado a la salida.
• Elementos de expansión: Como la turbina, cumplen la función de reducir la presión del líquido a la salida del condensador.

Sistema de Refrigeración de Vapor

En estos sistemas se utilizan fluidos criogénicos, que son sometidos a sucesivas condensaciones y evaporaciones para conseguir el descenso de la temperatura.

Aplicaciones

Conservar alimentos, congelación, metalurgia, mecánica y química, montaje en frío de elementos, acondicionamiento del aire para el confort humano, medicina, etc.

Bomba de Calor. Aplicaciones

Una bomba de calor es exactamente igual a una máquina frigorífica. La diferencia en lo referente a la aplicación, consiste en intercambiar los focos fríos y calientes.

Aplicaciones

Calefacción, piscinas climatizadas, salas de patinaje sobre hielo.