La magia de la Fisica: Maquina Termica

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.

Máquina térmica y motor térmico

En 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.¹

Clasificación[editar]

Según el sentido de transferencia de energía

Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:

Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje.
Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje.

Según el principio de funcionamiento

Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:

Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina. En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular.
Turbomáquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

**Máquinas térmicas**
Motoras	Volumétricas	Alternativas	Máquina de vapor
		Rotativas	Motor Wankel
	Turbomáquinas		Turbina
Generadoras	Volumétricas	Alternativas	Compresor de émbolo
		Rotativas	Compresor rotativo
	Turbomáquinas		Turbocompresor

Balance de energía en una máquina térmica

Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energía con el entorno. Aplicando el primer principio de la termodinámica para un sistema abierto, el incremento de energía del sistema en un intervalo de tiempo es:

$\Delta E_{sistema}=Q+W+\sum _{in}m_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-\sum _{out}m_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}$ $\Delta E_{sistema}=Q+W+\sum _{in}m_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-\sum _{out}m_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}$

donde;

Q es el calor entregado al sistema. Será negativo cuando el calor sea entregado por el sistema.
W es el trabajo entregado al sistema, en forma de trabajo mecánico y energía de presión. Será negativo cuando el calor sea entregado por el sistema.
El subíndice in representa la materia que entra al sistema.
El subíndice out representa la materia que sale del sistema.
h es la entalpía por unidad de masa del flujo
V²/2 es la energía cinética por unidad de masa del flujo.
gz es la energía potencial por unidad de masa del flujo

Haciendo la derivada de la expresión anterior respecto al tiempo, se obtiene:

${\frac {dE_{sistema}}{dt}}={\dot {Q}}+{\dot {W}}+{\dot {m}}_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-{\dot {m}}_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}$ ${\frac {dE_{sistema}}{dt}}={\dot {Q}}+{\dot {W}}+{\dot {m}}_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-{\dot {m}}_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}$

Debe tenerse en cuenta que en máquinas generadoras, puede aparecer esta expresión con el signo de W cambiado, para que se exprese el trabajo entregado por la máquina y así W sea positivo.

Véase también: Criterio de signos termodinámico

Simplificaciones

La ecuación que expresa el balance de energía puede simplificarse en los siguientes casos:

Sistema en reposo

Cuando el sistema está en reposo, tal como en máquinas estacionarias, las variaciones de energía potencial y energía cinética serán nulas.

${\frac {dE_{sistema}}{dt}}={\frac {dU}{dt}}+{\frac {E_{c}}{dt}}+{\frac {E_{p}}{dt}}={\frac {dU}{dt}}$ ${\frac {dE_{sistema}}{dt}}={\frac {dU}{dt}}+{\frac {E_{c}}{dt}}+{\frac {E_{p}}{dt}}={\frac {dU}{dt}}$
Régimen permanente

Cuando la máquina funciona en régimen permanente, las cantidades de masa y energía que entran son iguales a las que salen, pues de lo contrario variarían esa cantidades dentro del sistema.

${\dot {m}}={\dot {m}}_{in}={\dot {m}}_{out}$ ${\dot {m}}={\dot {m}}_{in}={\dot {m}}_{out}$; ${\frac {dE_{sistema}}{dt}}=0$ ${\frac {dE_{sistema}}{dt}}=0$
Variación de energía potencial despreciable

En la mayoría de las máquinas térmicas, diferencia de energía potencial del flujo que sale respecto al que entra es poco significativo en comparación con los otros términos asociados a la energía del flujo.

$\Delta (gz)\ll \Delta \left(h+{\frac {1}{2}}V^{2}\right)\Rightarrow \Delta (gz)\approx 0$ $\Delta (gz)\ll \Delta \left(h+{\frac {1}{2}}V^{2}\right)\Rightarrow \Delta (gz)\approx 0$
Sistemas adiabáticos

En la mayoría de las máquinas térmicas, la transferencia de calor es despreciable frente a otros intercambios de energía. Teniendo en cuenta la transmisión de calor por conducción y convección:

{\dot {Q}}={\frac {dQ}{dt}}=U\cdot A\cdot \Delta T_{LM}\approx 0

donde Q es el calor intercambiado, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es la superficie del sistema y

\Delta T_{LM}

es la diferencia de temperaturas media logarítmica, puede considerarse que el sistema es adiabático cuando se da alguna de las siguientes condiciones:

La superficie externa del sistema está bien aislada térmicamente.
La superficie externa del sistema es muy pequeña.
La diferencia de temperaturas entre el flujo y el entorno del sistema es pequeña.
El fluido pasa a través de la máquina tan rápido que apenas hay tiempo para que sea significativa la transferencia de calor por unidad de masa.

Máquina térmica en régimen permanente con variación de energía potencial despreciable

En una máquina térmica que funciona en régimen permanente en la cual se desprecie la variación de energía potencial, la expresión el primer principio de la termodinámica puede expresarse como

${\dot {W}}={\dot {m}}[(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{in}]={\dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]$ ${\dot {W}}={\dot {m}}[(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{in}]={\dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]$

donde h₀ es la entalpía de parada.

En los ciclos termodinámicos asociados a la turbina de vapor, la energía cinética específica puede considerarse despreciable frente a la entalpía, resultando

${\dot {W}}={\dot {m}}[(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{in}]={\dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]$ ${\dot {W}}={\dot {m}}[(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{in}]={\dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]$

La magia de la Fisica

lunes, 19 de diciembre de 2016

Maquina Termica