Maquinas Termicas

Las máquinas térmicas

Las máquinas térmicas pertenecen al grupo de las de fluido compresible. Es decir, a aquellas que tienen la capacidad de realizar un intercambio de la energía mecánica mediante un fluido que logra atravesarlas. Por otra parte, el proceso mismo puede presentar diversas variantes. Es decir, si el procedimiento consigue que el fluido incremente su propia energía, entonces la maquinaria va a recibir el nombre de generadora, cuyos ejemplos más relevantes son los compresores y las bombas. En cambio, si el fluido disminuye notablemente su energía, entonces se la denomina como motora, donde se ubican las turbinas y los motores de explosión.

Debido a estas variantes en el proceso, también se las puede clasificar en relación a la forma de compresibilidad del fluido en cuestión. Entonces nos podemos encontrar con varios tipos de máquinas térmicas. Uno de estos tipos es el hidráulico, que opera solamente con fluidos considerados como incomprensibles. Dentro de este grupo es posible destacar a las máquinas que operan con líquidos como el agua, al tiempo que algunos modelos también trabajan con gases, justamente cuando los mismos se comportan con ese grado extra de incomprensibilidad, siendo un ejemplo importante el ventilador. Asimismo, la energía que aprovechan es solo la mecánica, que se encuentra disponible en el mismo fluido, como el caso de la cinética y la potencial. Es por eso que si en algún determinado momento se aumenta el nivel de temperatura del fluido en la entrada de la maquinaria misma, entonces a la salida de ésta se podrá obtener un fluido mucho más caliente, sin que ese cambio de temperatura signifique necesariamente un provecho mayor de la energía. De esta forma es como los molinos, por ejemplo, hacen uso de la energía de las corrientes de agua, mientras que las centrales hidroeléctricas aprovechan aquel potencial que se encuentra en el agua, cuando la misma está embalsamada.

Otro ejemplo que podemos mencionar dentro del grupo de máquinas de fluido comprensible son aquellas máquinas calificadas como volumétricas o bien como de desplazamiento positivo. Se trata de una clase que puede ser atravesada por un fluido conocido. Las mismas, a su vez, pueden subdividirse en dos grupos: las rotativas o las alternativas, siempre va a depender esto de la función del movimiento que puede llegar a obtenerse. Por otra parte, aquellas que son atravesadas por un fluido continuo reciben otro nombre, se trata de turbomáquinas, que además no pueden subclasificarse ya que son siempre rotativas.

Modelos de máquinas térmicas

Ahora bien, una vez determinados los modelos propios de las maquinarias de fluido comprensible, pasemos a definir las características propias de uno de los exponentes de este grupo: las máquinas térmicas. Esta clase opera con dichos fluidos, independientemente de si éstos son condensables como las máquinas térmicas de vapor o no condensables, como las turbinas de gas. Aquí lo que sucede es que hay un aprovechamiento de la energía térmica del fluido, fundamentalmente porque la energía mecánica se obtiene gracias a la expansión del fluido, es decir, gracias a que éste logra incrementar su volumen específico. Lo que ocurre es que cuando se incrementa el nivel de temperatura del fluido al momento de entrar a la máquina, entonces posteriormente se va a poder obtener una mayor cantidad de energía mecánica en el eje mismo de ésta. Cabe decirse que la termodinámica se ha ocupado del estudio de los intercambios de energía que se producen en las máquinas térmicas. Así como muchos grupos tienen distintos modelos, este caso no es la excepción.

A las máquinas térmicas las podemos clasificar teniendo presente dos criterios fundamentales: la cantidad de fluido que se maneja y el movimiento que la máquina va a llevar a cabo. En el caso de los motores térmicos, por ejemplo, la energía del fluido que va a atravesar la maquinaria va a disminuir de manera considerable, razón por la cual se obtiene energía mecánica. Sin embargo, no ocurre lo mismo con los generadores térmicos, los cuales presentan un proceso inverso. De esta forma, el fluido va a incrementar la energía en el momento en el que atraviesa la máquina. Los motores térmicos, además, son en sí maquinarias, puesto que emplean la energía que ha sido resultado de un procedimiento de combustión, siempre con el objetivo de que se genera energía del fluido que va a ser aprovechado en instancias posteriores para obtener, justamente, energía mecánica. Para todo esto, deben realizarse ciertos ciclos denominados termodinámicos, los cuales necesitan de la utilización de un grupo generador que puede ser hidráulico o térmico. En el primer caso, se relaciona con los ciclos de las turbinas de vapor. En el segundo caso, se vincula con los ciclos de turbina de gas. Debido a esto, si el generador está ausente, entonces el grupo motor no va a poder funcionar correctamente.

Ciclo de Carnot

Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B-C adiabática

Tramo C-D isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A adiabática

En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

• La presión, volumen de cada uno de los vértices.

• El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.

• El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.

Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.

Variables A B C D

Presión p (atm) pA

Volumen v (litros) vA vB

Temperatura T (K) T1 T1 T2 T2

Las etapas del ciclo

Para obtener las variables y magnitudes desconocidas emplearemos las fórmulas que figuran en el cuadro-resumen de las transformaciones termodinámicas.

1.-Transformación A->B (isoterma)

La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal

Variación de energía interna

Trabajo

Calor

2.-Transformación B->C (adiabática)

La ecuación de estado adiabática es o bien, . Se despeja vc de la ecuación de la adiabática . Conocido vc y T2 se obtiene pc, a partir

...