Mi Proyecto Motor a Vapor

Motor a vapor Objetivos.Objetivo general: • •

Demostrar la función del agua para el uso de las maquinas Conocer los procesos para esta función

Objetivo específico: • • •

Maquinas térmicas y la segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles El vapor como fluido termodinámico (Ciclo Carnot)

Historia.El motor o máquina de vapor se utilió e!tensamente durante la "evolución #ndustrial$ en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas$ locomotoras$ motores marinos$ etc% &as modernas máquinas de vapor utiliadas en la generación de energ'a eléctrica no son ya de émbolo o desplaamiento positivo como las descritas$ sino que son turbomáquinas es decir$ son atravesadas por un fluo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor% En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios au!iliares$ ya que se *a visto desplaado especialmente especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte%

Introducción.Campo de la f'sica que describe y relaciona las propiedades f'sicas de sistemas macroscópicos de materia y energ'a% &os principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingenier'a% +n concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico$ que se define como un conunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coe!iste con un entorno infinito e imperturbable% El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades mensurables como la temperatura$ la presión o el volumen$ que se conocen como variables termodinámicas% Es posible identificar y relacionar entre s' muc*as otras variables (como la densidad$ el calor espec'fico$ la compresibilidad o el coeficiente de e!pansión térmica)$ con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno% Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro$ se dice que tiene lugar un proceso termodinámico% &as leyes o principios de la termodinámica$ descubiertos en el siglo ,#, a través de meticulosos e!perimentos$ determinan la naturalea y los l'mites de todos los procesos termodinámicos% Maquinas térmicas  la segunda le de la termodin!mica.+na máquina térmica es un dispositivo que convierte energ'a térmica en otras formas -tiles de energ'a$ como la energ'a eléctrica y mecánica% .ace que una sustancia de trabao recorra un proceso c'clico durante el cual/ 0) 1e absorbe calor de una fuente a alta temperatura% • •

&a máquina realia un trabao &ibera calor a una fuente a temperatura más baa%

En un proceso caracter'stico para producir electricidad en una planta de potencia$ el carbón o alg-n otro tipo de combustible se quema y el

calor generado se utilia para producir vapor de agua% El vapor se quema y el calor generado se utilia para producir vapor de agua% El vapor se dirige *acia las aspas de una turbina$ poniéndola a girar% Por -ltimo$ la energ'a mecánica asociada a dic*a rotación se usa para mover un generador eléctrico% +na máquina térmica transporta alguna sustancia de trabao a través de un proceso c'clico$ definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial% El trabao neto 2 realiado por la máquina es igual al calor neto que fluye *acia la misma% En la figura se observa/ "neto# "$%"c & Por lo tanto/ '#"$%"c Donde 3* y 3c se toman como cantidades positivas% 1i la sustancia de trabao es un gas$ el trabao neto realiado en un proceso c'clico es el área encerrada por la curva que representa a tal proceso en un diagrama P4% &a eficiencia térmica$ e de una máquina térmica se define como la raón del trabao neto realiado al calor absorbido durante un ciclo/ e#' # "$%"c#(%"c Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 0556 (e70) sólo si 3c75$ es decir$ si no se libera calor a la fuente fr'a% En otras palabras$ una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energ'a calor'fica absorbida 3* en trabao mecánico% &a segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible% +n refrigerador (o bomba de calor) es una máquina térmica que opera en sentido inverso en la cual la máquina absorbe el calor 3c de la fuente fr'a y libera calor 3* a la fuente caliente% Esto sólo puede ser posible si se *ace un trabao sobre el refrigerador% Por lo tanto$ se ve que el refrigerador transfiere calor del cuerpo más fr'o (el contenido del refrigerador) a un cuerpo más caliente (el cuarto)% 1i se pudiera lograr sin *acer alg-n trabao$ se tendr'a un refrigerador perfecto(8igura 9)%

El calor no puede fluir espontáneamente de un obeto fr'o *acia uno caliente% El calor$ solo fluirá del más fr'o *acia el más caliente sólo si *ace trabao sobre el sistema% )rocesos *eversibles + Irreversibles.-

El calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más caliente *acia uno más fr'o cuando se ponen en contacto$ pero el procesos inverso sólo se puede lograr por medio de una influencia e!terna% Cuando un bloque se deslia sobre una superficie áspera$ finalmente se detendrá% Dic*os procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles% +n P":CE1: es #""E4E"1#;&E si el sistema y sus alrededores no pueden regresarse a su estado inicial% +n sistema puede ser "E4E"1#;&E si el sistema pasa de un estado inicial a un estado final a través de una sucesión de estados de equilibrio% 1i un proceso es real ocurre en forma cuasiestática$ es decir$ lo suficientemente lento como para que cada estado difiera de modo infinitesimal del equilibrio$ se puede considerar reversible%

Como un proceso reversible se define por una sucesión de estado de equilibrio se puede representar por una curva en un diagrama de P4$ en la cual se establece la trayectoria del proceso (8igura G1 el ciclo abierto se describe como sigue/ El agua está inicialmente a >amb y en estado l'quido (0)$ luego la bomba lo comprime *asta el estado (?)% En teor'a esta compresión es isentrópica$ en realidad la entrop'a aumenta un poco% En todo caso$ los estados (0) y (?) están muy cercas (la temperatura apenas sube)% Il inyectarse el agua a presión a la caldera$ la entrop'a aumenta fuertemente$ pues este es un proceso irreversible% &uego comiena la ebullición del agua en la caldera (desde la intersección con la

campana de cambio de fase *asta el estado )% En () el vapor se e!pande en el motor$ generando el trabao 2% Esta e!pansión en teor'a es isentrópica% El vapor descarga en el estado (9)$ el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de 055FC% &uego este vapor condensa en la atmósfera a 055FC y luego se sigue enfriando *asta el estado inicial%

Diagrama >G1 de ciclo de vapor abierto$ incluyendo /iclo de /arnot correspondiente.Para efectos de comparación$ el diagrama anterior lo inscribimos en su Ciclo de Carnot Correspondiente (las dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo inscriben)% Este ciclo tiene como temperatura inferior (de fuente fr'a) la temperatura ambiente y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (>ma!)% &as áreas en verde indican la pérdida que *ay con respecto al potencial$ la cual es muy elevada% Es por esto que los ciclos abiertos fueron rápidamente reemplaados con ciclos con condensador (o ciclo de "anAine)$ pues el rendimiento es muy superior% 1e limitaron a máquinas móviles (locomotoras o locomóviles)$ donde no es práctico instalar un condensador% #ncluso en los barcos a vapor se ten'a condensador$ pues el agua de mar era e!celente medio para enfriarlo%