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Tipo: Monografías, Ensayos
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Taller N°3 De Fisicoquímica Integrantes. Jose Felipe Baldovino Martínez Dayana Casarrubia Salgado Camila Andrea Chica Bedoya Jhaelis Esther Velásquez Peña Docente. Juan Delgado Universidad De Córdoba Sede Berastegui Facultad De Ingenierías ING De Alimentos 2023
La definición moderna del término máquina es el conjunto de elementos que permiten vencer una resistencia o transformar una información aplicando una energía. El curso pasado se analizaron los elementos que pueden componer una máquina, como engranajes, tornillos, etc. En este curso se analizan las máquinas térmicas. Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis:
1. El gas que evoluciona en el interior de la máquina es ideal. 2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo. 3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriar el volumen fijo. 4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas. De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los cálculos:
Un segundo tipo de máquinas térmicas se basa en dar trabajo para conseguir extraer calor de un recinto que está a baja temperatura y expulsarlo en un ambiente a mayor temperatura. Son los frigoríficos que conocemos bien en la cocina de casa y las bombas de calor. En ambos casos, su representación simplificada es la del dibujo: El rendimiento de estas máquinas, como siempre, es la relación entre lo que se obtiene (calor) y lo que se gasta (trabajo). Ejemplos de máquinas térmicas Los ejemplos de máquinas térmicas se pueden encontrar desde hace siglos con el caso de la máquina de vapor de Herón. Sin embargo, no fue sino hasta el siglo pasado cuando estas se empezaron a utilizar seriamente con el advenimiento de las locomotoras. Hoy en día, estas son parte fundamental del funcionamiento de los motores modernos. Seguro que en algún momento de tu vida has viajado dentro de un coche, un avión o un tren de vapor. ¿Te has preguntado qué proceso hace que estos vehículos se muevan? La respuesta es: las máquinas térmicas. En termodinámica, una máquina térmica es un sistema que convierte el flujo de energía térmica (calor) en trabajo mecánico.
Increíblemente, la primera máquina térmica del que se tiene constancia fue inventada por Herón de Alejandría en el año 50 d. C., pero en aquella época solo se consideraba una novedad o un juguete. No fue sino hasta la revolución industrial que los motores térmicos se convirtieron en dispositivos útiles. La máquina de vapor se hizo útil en el siglo XVIII y se utilizó rápidamente como fuente de energía. A finales del siglo XIX le siguió el motor de combustión interna, que en muchos aspectos fue una mejora de la máquina de vapor. Veamos más a detalle cuáles son algunos de los ejemplos de máquinas térmicas. Máquina de vapor de Herón de Alejandría Para entender los fundamentos del funcionamiento de una máquina de calor, puede ser una buena idea empezar por el principio y echar un vistazo a la primera Máquina de vapor de Herón de Alejandría. Herón la denominó eolípila o bola de viento. El diseño era sencillo: colocó un caldero de agua (que actuaba como depósito caliente) sobre un fuego. Al calentarse, el agua hervía y se convertía en vapor, que subía entonces por dos tubos hasta una esfera hueca situada en la parte superior, donde dos boquillas dobladas en la esfera permitían que el vapor saliera. El vapor expulsado generaba empuje, obligando a la esfera a girar. Todo el entorno externo, en este caso, actuaba como el depósito frío hacia el que fluía el calor. Máquinas térmicas actuales Las locomotoras de vapor han quedado ampliamente obsoletas por la electricidad y el motor de combustión interna. Los trenes de vapor, por ejemplo, están ahora relegados al transporte patrimonial o a las atracciones turísticas. Sin embargo, el vapor se sigue utilizando ampliamente a escala industrial para producir electricidad.
▪ Contracción: El aire se contrae y el pistón se eleva. En un motor de combustión externa, el combustible se quema fuera del motor y la energía obtenida mediante la combustión del combustible se transporta al motor, con ayuda de un medio portador de calor como el agua o un gas. ▪ Las ventajas de un motor de combustión externa son que para su funcionamiento se puede utilizar cualquier combustible, no producen demasiada contaminación y, además, son económicos. ▪ Las desventajas son que generalmente este tipo de máquinas térmicas son muy grandes y funcionan con temperaturas muy elevadas, por lo que es un proceso peligroso. Motor de combustión interna En un motor de combustión interna, la quema del combustible se produce dentro del sistema. Los motores de combustión interna suelen ser más eficaces que los de combustión externa, ya que convierten directamente la energía térmica del combustible en trabajo mecánico. Generalmente, el funcionamiento de un motor de combustión interna sigue los siguientes pasos: ▪ En primer lugar, durante la carrera de admisión, la válvula de admisión se abre para permitir que el combustible y el aire del depósito entren en el cilindro de trabajo. ▪ El siguiente paso del proceso es la carrera de compresión. Ambas válvulas se cierran para atrapar la mezcla de aire y combustible en su interior, y el pistón se mueve hacia arriba para comprimir la mezcla en un pequeño volumen. ▪ A continuación, durante la carrera de encendido, una chispa eléctrica de la bujía enciende el combustible; esto hace que se expanda rápidamente y empuje el pistón hacia abajo. ▪ Por último, durante la carrera de escape, se abre la válvula de escape; esta permite que los gases expandidos de la combustión salgan y se repita el ciclo, de nuevo.
El ciclo de Carnot es uno de los principales aportes de Sadi Carnot a la termodinámica, siendo el ciclo de motor térmico más eficiente que existe y uno de los principales ciclos de estudio de la termodinámica. Este proceso reversible, está formado por dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones adiabáticas. Definición del Ciclo de Carnot El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se lleva a cabo en una máquina o equipo que absorbe energía térmica (calor Q1) desde una fuente de alta (fuente con una mayor temperatura) y otorga energía térmica (calor Q2) a una fuente de baja (fuente con menor temperatura). Todo este flujo de energía tiene como objetivo producir un trabajo sobre el exterior. Este tipo de ciclo termodinámico es el que tiene mayor rendimiento entre las máquinas que producen trabajo a partir de fuentes de temperatura. Dicho rendimiento viene dado por la ecuación: Cualquier equipo o máquina que ejecute el ciclo de Carnot se conoce como Máquina de Carnot. Las Máquinas de Carnot, tienen la particularidad de poder funcionar en sentido inverso, ya que representan un ciclo reversible. Debido a esta característica, pueden extraer calor de la fuente de baja temperatura, otorgando calor a la fuente de alta temperatura o al medio
Como su nombre lo indica, en esta transformación el gas que se encuentra dentro del cilindro pistón originalmente ocupa un volumen mínimo dentro del cilindro, absorbiendo el calor de la fuente térmica a una temperatura constante (T1) hasta que ocupa el mayor volumen posible dentro del cilindro, elevando el pistón lo máximo que se pueda. Cabe destacar, que durante la expansión el gas tiende a enfriarse, sin embargo, al seguir absorbiendo calor de la fuente térmica mantiene su temperatura constante. Asumiendo que el modelo de gas es ideal y que la transformación es isotérmica, se deduce que la energía interna tampoco experimenta cambios, así como también, la energía potencial y cinética. Partiendo de la primera ley de la termodinámica, tenemos que el calor (QAB) que se absorbe del punto A al punto B es mayor a cero: Lo que nos permite deducir que el trabajo (WAB) es mayor a cero y con la misma magnitud que el calor que se transfiere en esta etapa. La entropía aumenta durante esta etapa ya que es reversible y viene dada por la ecuación: Expansión adiabática (Desde el punto termodinámico B hasta el punto termodinámico C) En esta transformación se experimenta una mayor expansión del gas, esta vez sin presentar un intercambio térmico con el entorno, debido a un aislamiento del sistema con sus alrededores. En esta etapa del ciclo, el gas comienza a enfriarse, disminuyendo su temperatura hasta alcanzar T2, justo en ese momento se alcanza el volumen máximo del gas. Así, disminuye la energía interna y la entropía
se mantiene constante al no experimentar intercambio de energía térmica con el ambiente. Aplicando el balance de energía, tenemos la siguiente ecuación: Compresión isotérmica (desde el punto termodinámico C hasta el punto termodinámico D) En esta etapa del ciclo, el sistema vuelve a interactuar con los alrededores. Es una etapa no aislada con el entorno, permitiendo un intercambio térmico con éste y manteniendo la temperatura constante (T2), mientras el gas se comprime. Para mantener esta condición de temperatura, el sistema cede calor a los alrededores (fuente de baja temperatura), y al no cambiar la temperatura, la energía interna no presenta cambios. Luego de aplicar el balance de energía, la ecuación queda de la siguiente manera: Al tener signo negativo el calor, la entropía disminuye, quedando expresada de la siguiente forma:
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