 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
MÁQUINAS TÉRMICAS |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
UNA MÁQUINA TÉRMICA ES UN DISPOSITIVO MECÁNICO QUE, OPERANDO DE FORMA CÍCLICA, ES CAPAZ DE PRODUCIR TRABAJO A PARTIR DE CALORLa máquina de vapor que impulsó la revolución industrial de los siglos XVIII y XIX es un ejemplo de máquina térmica.
El esquema básico de una máquina térmica es el siguiente:
En todas las máquinas térmicas una parte del calor extraído del foco caliente se entrega como calor de deshecho (no utilizable) al foco frío (normalmente el ambiente, 300 K). Por tanto, la cantidad de trabajo obtenida de la máquina térmica nunca podrá ser igual al calor liberado por el foco caliente.En las máquinas de vapor, además, una parte del trabajo se utiliza para el funcionamiento del propio dispositivo. La caldera es el foco caliente y produce vapor de agua a alta presión que hace girar la turbina. Una parte del trabajo obtenido en la turbina servirá para mover la bomba que impulsa el agua desde el condensador a la caldera. A la salida de la turbina, el vapor de baja presión es enfriado en el condensador y pasa a agua líquida que es impulsada por la bomba a la caldera.
TIPOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS
Hay dos grandes tipos de máquinas térmicas: de combustión externa y de combustión interna.En las máquinas de combustión externa, como la máquina de vapor, el combustible es quemado en un dispositivo externo de la parte de la máquina destinada a producir trabajo.A mitad del siglo XVIII, James Watt mejora el diseño de Newcomen disminuyendo el tamaño de la máquina de vapor y aumentando su eficacia con la adopción de un condensador separado donde el agua cambiaba de estado. Esto facilitaría su introducción en barcos y, posteriormente, locomotoras. |
|
INDICE
- Primer Principio Termodinámica
- Calor a volumen y a presión constantes
- Entalpía estándar de reacción
- Máquinas térmicas. Ciclo Carnot
- Entropía. Segundo Principio Termodinámica
- Entropía absoluta. Tercer Principio de la Termodinámica
- Espontaneidad reacciones químicas. Entropía
- Espontaneidad reacciones químicas. Energía Libre Gibbs
¿POR QUÉ ES TAN BAJO EL RENDIMIENTO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS?
Las máquinas térmicas alcanzan eficiencias bajas. De hecho, la mayor parte de motores de gasolina de ciclo OTTO de cuatro tiempos, tienen rendimientos energéticos del 25 %. Solo las turbinas de gas de ciclo combinado alcanzan eficiencias próximas al 50 %. ¿Cuál es el origen de esta limitación?
Como hemos visto, el rendimiento máximo de una máquina térmica fue determinado por Carnot en 1824, y solo dependía de las temperaturas de los focos caliente y frio que se estuvieran utilizando. Si la diferencia de temperatura entre los focos se pudiera aumentar, también lo haría el rendimiento energético de la máquina.
Formas de aumentar el rendimiento de la máquina térmica
Bajar la temperatura del foco frio:
Si la temperatura del foco frio fuera 0 K el rendimiento de la máquina térmica sería 1. Para cualquier temperatura por encima del cero absoluto, la máquina térmica tendrá rendimientos menores. Sin embargo, de manera operativa la temperatura del foco frio es la temperatura ambiente (unos 300 K) que no podemos modificar.
Elevar la temperatura del foco caliente:
Como alternativa podríamos intentar aumentar el rendimiento elevando la temperatura del foco caliente. En una máquina en la que el foco caliente esté a 400 K el rendimiento máximo que se puede obtener es del 25 %. Sin embargo, si aumentamos la temperatura hasta 600 K (por ejemplo en una turbina de gas), el rendimiento sube hasta el 50 %. Sin embargo, la opción de incrementar la temperatura del foco caliente tiene un grave problema: las elevadas presiones a las que debe trabajar el sistema.
Por otra parte, desde el punto de vista teórico, una máquina térmica que convirtiera todo el calor obtenido del foco caliente en trabajo inclumpliría el segundo Principio de la Termodinámica porque su funcionamiento implicaría un descenso de la entropía del universo.
En esta máquina térmica los cambios de entropía serían los siguientes:
Máquina: ∆S = 0 porque trabaja en ciclo.
Focos: El foco caliente cede una cierta cantidad de calor Qc manteniéndose todo el tiempo a una temperatura constante Tc. Por tanto: ∆S = Qc/Tc . Como Qc < 0 (calor cedido), ∆S <0.
Universo: Sumando ambos cambios de entropía tendríamos que el cambio en la entropía del universo sería negativo.
Esto es imposible según el segundo Principio de la Termodinámica. Por lo tanto, el enunciado de Kelvin-Planck (es imposible construir una máquina térmica con un único foco de calor) es equivalente a nuestro principio basado en la entropía.
CICLOS IMPORTANTES EN MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA
CICLO OTTO
El ciclo OTTO es el que se utiliza en los motores de gasolina.
Puede usar esta hoja de cálculo para analizar con detalle los parámetros de este y otros ciclos
Se puede demostrar que el rendimiento del ciclo Otto depende únicamente de las temperaturas inicial TA y final TB de la etapa de compresión, de forma que se cumple:
Como la temperatura máxima que se alcanza en el ciclo es Tc (> TA), después de la explosión, el rendimiento de una máquina de Carnot que opere entre los valores extremos de temperatura Tc y TA es mayor que el de un motor que funcione con el ciclo Otto.
Si quisiéramos aumentar la eficiencia del ciclo Otto deberíamos aumentar TB, es decir, disminuir el volumen después de la compresión VB. Eso es lo mismo que aumentar la relación de compresión, que en los vehículos de ciclo Otto (gasolina), suele alcanzar como máximo 11:1. Sin embargo, eso tiene un problema: la autoignición de la mezcla de gasolina y aire. Si se aumenta demasiado la relación de compresión, ocurre que la mezcla de combustible hace explosión antes de que el pistón haya alcanzado el punto superior de su recorrido. Eso provoca graves problemas mecánicos (picado de bielas), ya que los gases de la explosión empujarán hacia abajo un pistón que todavía está subiendo. Para evitarlo, es decir, para disminuir la tendencia de un combustible a la autoignición, hay que aumentar el índice de octano de la gasolina empleada. Esto se consigue con nuevos procesos de producción (por ejemplo, la isomerización ayuda a aumentar el número de ramificaciones de las moléculas y eso mejora el índice de octano), o con aditivos como el ETBE (etil tertbutil éter).
En los motores Diésel no hay ese problema ya que durante la compresión solo hay aire dentro del cilindro. Este hecho permite construir motores con grandes relaciones de compresión, sin importar que el aire alcance elevadas temperaturas ya que el combustible es inyectado en la cámara de combustión posteriormente.
CICLO OTTO FRENTE A CICLO DIESEL
El ciclo OTTO fue propuesto por Nicolas Otto en 1876 y el ciclo DIESEL fue propuesto por Rudolph Diesel en 1897.
Nicolas Otto y Rudolph Diesel
El ciclo Diesel trabaja con una elevada relación de compresión que va desde 11:1 a 22:1.Sin embargo, el ciclo Otto opera con relaciones de compresión más bajas que van desde 7:1 a 11:1.
El ciclo Otto utiliza bujías para provocar la explosión de la mezcla de gasolina y aire. Sin embargo, en el ciclo Diesel no hacan falta bujías. La temperatura del aire comprimido es tan alta que basta con inyectar el combustible (gasoil) para que se produzca su combustión.
El ciclo Otto es ideal para ser usado con componentes ligeros del petróleo que destilan entre 100 y 250 ºC. El número medio de átomos de carbono en ese combustible (gasolina) es ocho. Por su parte, el ciclo Diesel es ideal para ser usado con combustibles más pesados, es decir, fracciones del petróleo que destilan a temperaturas mayores, entre 150 ºC y 350 ºC (gasoil). El número medio de átomos de carbono en las moléculas del gasoil es 16.
En el ciclo Otto la explosión se produce a volumen constante, sin embargo, la combustión en el ciclo Diesel se produce a presión constante.
Durante la compresión adiabática, en el ciclo Diesel parte de la energía mecánica del pistón es transferida al aire para que alcance elevadas temperaturas que hagan posible la ignición del combustible. En el ciclo Otto durante la compresión adiabática se comprime una mezcla de aire y combustible.
En el ciclo Diesel la combustión es isobárica (P = cte). Esto se logra con una combustión más lenta, en la que el pistón se desplaza hacia abajo para aumentar el volumen y mantener así la presión constante aportando torque. En el ciclo Otto la bujía provoca la explosión de la mezcla de combustible y aire a volumen constante (isócora). Se produce un incremento de la presión y la temperatura que empuja el pistón aportando torque.
Los motores con ciclo Diesel funcionan a menos revoluciones que los de ciclo Otto.
Con las mismas relaciones de compresión r, el ciclo Otto es más eficiente que el ciclo Diesel. Sin embargo, dado que el ciclo Diesel se utiliza con relaciones de compresión mayores que el Otto, el resultado en la práctica es que los motores Diesel son más eficientes que los Otto. En las siguientes ecuaciones r (=VA/VB) es la relación de compresión (cociente entre el volumen del sistema antes y después de la compresión) y rc (= VC/VB) es la relación entre los volúmenes antes y después de la combustión en el ciclo Diesel.
