Reflexiones Sobre La Potencia Motriz Del Fuego

Cruz Zúñiga Erik Israel -4MM1-

Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego I.

Los inicios de la termodinámica Sadi Carnot, al igual que Copérnico fue un hombre de ciencia que hizo un avance muy considerable en la ciencia, Copérnico con la publicación de su libro De Revolutionibus Orbium Coelestium en el que dejo plasmado el trabajo de toda su vida y Sadi Carnot su libro Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, en el que a diferencia de Copérnico, que trabajo en una disciplina ya definida y reconocida que podía apoyarse en una herencia intelectual ya establecida; Sadi fundo un dominio de estudio enteramente nuevo, la termodinámica, teniendo que construir sus conocimientos a partir de conceptos, leyes y principios tomados de las ciencias del calor y de la mecánica, así como las fuerzas del vapor y de la fuerza hidráulica que eran estudios totalmente separados y no había nexos entre ellos. Sadi Carnot, Hijo de Lázaro Carnot Sadi nació en 1796, su padre Lázaro, quien tenía en ese entonces cuarenta y tres años fue un ingeniero y matemático, quien después de haber conocido el éxito cayó en desgracia políticamente. Sadi no solo supero eso, sino que por sí mismo y con su trabajo adquirió un nombre perdurable. Después de abandonar el ejército, regreso a parís para una vida de estudios y de investigaciones personales. En 1832 fue víctima de la epidemia de cólera que abatió Europa. Después de su muerte, todo lo que había tocado fue quemado para precaución de la propagación, pocas cosas sobrevivieron al holocausto.  La ciencia del calor entre la química y la meteorología La única ciencia bien establecida en las matemáticas, era la mecánica, la química, la electricidad, el magnetismo y el calor. La ciencia del calor, hecha posible por la invención del termómetro en el siglo XVII, gracias a la concepción del axioma de la conservación del calor y los conceptos de calor latente y calor especifico se concebía el calor como una sustancia (el calórico) que como una cantidad dinámica. Al mismo tiempo, los meteorologuitas comprendían mucho mejor el papel del calor con los fenómenos climatológicos y geofísicos. El recalentamiento y enfriamiento adiabático del aire se usaba para explicar la estabilidad de los campos de nieve y los glaciares de los Andes. El calor, era considerado la gran fuerza motriz y era posible servirse de sus leyes explicar una gama de fenómenos sin relación entre sí.  El desarrollo de la máquina de vapor en el siglo XVIII 

Las primeras máquinas de vapor aparecieron en el siglo XVIII, las cuales funcionaban usando el vapor para empujar el aire fuera de un cilindro, luego este era enfriado y condensado y que la presión atmosférica externa hiciera

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descender un pistón, esto de forma cíclica. Años después, James Watt logro suprimir el desperdicio de calor causado por el recalentamiento y enfriamiento alternado del cilindro, condensando el vapor en un cilindro frio por separado y el cilindro principal era mantenido caliente todo el tiempo. El agua es químicamente neutra, cuando es calentada a temperaturas poco elevadas, hasta 100°C se dilata convirtiéndose en vapor, hasta 1800 veces su volumen original. Y si no se le permite dilatarse, su presión eleva enormemente por cada grado arriba de los 100°C.  El bombeo del agua en las minas: Progreso y problemas En las primeras tres decenas del siglo XIX, bombear el agua de las minas por medio de aparatos de vapor fue llevado a un alto grado de perfección por ingenieros. El aparato de bombeo funciona de modo regular y a una velocidad uniforme con carga constante, sin interrupción. Este nos da un resultado mesurable de manera simple y directa. Tales resultados, ayudaron a Carnot a formular ideas importantes sobre los principios básicos de la maquina térmica. Antes de estudiar los principales temas de este, no nos queda sino mencionar algunos resultados aislados obtenidos antes de él. Boerhaave había observado que el sistema formado por cuerpos llevados a temperaturas diferentes tiende a alcanzar un equilibrio térmico y nunca se ve que un elemento aislado se recaliente espontáneamente. El ingeniero escocés Ewart había sostenido que una cantidad de calor dada, podía producir solamente una cantidad de trabajo dada. Fourier soñalo que el calor radiante debía obedecer una ley sinusoidal de emisión, pues de otro modo sería imposible que un sistema de cuerpos alcanzara su equilibrio térmico. Bouvier explicaba que la mejor máquina de vapor seria: la presión del vapor actuaria sobre un pistón radial que giraría alrededor de un eje en un tambor hermético.  El ciclo ideal de un motor perfecto El motor térmico es reducido estrictamente a sus elementos esenciales: un cilindro, lleno de unes sustancia agente que puede ser el vapor o un gas, un pistón, un cuerpo caliente y un cuerpo frio. Es la diferencia de temperatura entre el cuerpo caliente y el frio, y no la diferencia de presión que sufre la sustancia actuante, lo que determina el trabajo proporcionado por el motor. La sustancia que actúa en el cilindro nunca debe estar en contacto con un cuerpo más frio o caliente que ella, a fin de que no haya flujo de calor inútil. Todos los cambios de temperatura deben ser causados por la expansión o compresión de la sustancia activa. Comprimida a principio de alta presión, la sustancia activa se dilata libremente: empuja el pistón y extrae el calor del cuerpo caliente, con el cual el cilindro está en

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contacto. Entonces se aleja el cilindro del cuerpo caliente y la sustancia continua dilatándose adiabáticamente. El cilindro es puesto en contacto entonces con el cuerpo frio y la sustancia activa es comprimida, siendo expulsado el calor. El cilindro es al fin separado del cuerpo frio; y la compresión continua de tal modo que la sustancia activa es calentada adiabáticamente. El ciclo se acaba cuando la sustancia activa es llevada a su presión, volumen y temperatura originales. El resultado neto no ha sido sino una transferencia del calor del cuerpo caliente al cuerpo frio y la producción de un trabajo externo. La sustancia activa ha vuelto a su estado original y no hay ningún desperdicio de calor. El ciclo como ese es exactamente reversible. El resultado neto seria entonces el consumo de un trabajo igual al producido por el funcionamiento en sentido directo y la transferencia de la misma cantidad de calor, pero esta vez el cuerpo frio al cuerpo caliente, o sea, que el motor reversible es el que da el mayor rendimiento posible. Un motor “normal” podría ser usado para accionar al motor reversible en sentido inverso; El motor reversible tomaría menos calor del cuerpo caliente que del frio para transferirlo al caliente. Todos los gases que se dilatan o son comprimidos de una presión o un volumen a otra presión y volumen a temperatura constante, a o bien absorben o desprenden de la misma cantidad de calor. II.

Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego

El calor puede ser la causa del movimiento, posee una gran potencia motriz. Al calor debe atribuirse los grandes movimientos que se nos presenta sobre la tierra. De este inmenso recipiente podemos sacar la fuerza motriz necesaria para nuestros usos. El objeto de las máquinas de fuego consiste en desarrollar esta potencia y adaptarla a nuestro uso. Ellas parecen destinadas a producir una gran revolución en el mundo civilizado. Con frecuencia se ha debatido la cuestión de saber si la potencia motriz del calor es limitada o si no lo es; si los perfeccionamientos de las máquinas de fuego tienen un límite o si por el contrario, estos perfeccionamientos son susceptibles de mejorar. Se ha buscado durante mucho tiempo y un se hace. Solamente se le ha considerado en máquinas cuya naturaleza y modo de acción no le permitían tomar su verdadera dimensión. En tales maquinas el fenómeno se encuentra truncado, incompleto; Por ello se hace difícil reconocer sus principios y estudiar sus leyes. Las máquinas que no reciben la su movimiento del calor, aquellas que tienen por motor la fuerza del hombre o de los animales, etc. Pueden estudiarse a detalle mediante la teoría mecánica. Para las máquinas de fuego hace falta una teoría semejante.

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La potencia motriz es debida a un restablecimiento del equilibrio en el calórico. Allí donde haya una diferencia de temperatura, se puede producir potencia motriz. Recíprocamente, dondequiera que se pueda hacer uso de esta potencia es posible crear una diferencia de temperatura. Para determinar el paso del calórico de un cuerpo a otro, se necesita en el primero un exceso de temperatura; pero este exceso se puede suponer tan pequeño como se quiera; en teoría se le puede suponer nulo, sin que por ello los razonamientos pierdan nada de su exactitud. Cuando un fluido gaseoso se comprime rápidamente, su temperatura aumenta, por el contrario disminuye cuando se dilata rápidamente, este es uno de los hechos mejor comprobados por la experiencia. Si a un gas cuya temperatura se ha elevado por efecto de la compresión, se le quiere llevar a su temperatura primitiva sin que su volumen sufra nuevos cambios es necesario quitarle calórico, este también puede quitarse a medida que se realiza la compresión, de modo que la temperatura del gas permanezca constante. Estableceremos la siguiente proposición, es consecuencia de lo expuesto: “La diferencia entre el calor especifico o presión constante y el calor especifico y volumen constante es la misma para todos los gases” Basándonos en lo dicho, estableceremos el sig. Teorema: “Cuando un fluido elástico pasa sin cambiar de temperatura del volumen U al volumen V, y una cantidad igual en peso del mismo gas pasa a la misma temperatura del volumen U’ al volumen V’, si la relación de U’ a V’ es la misma que U a V. Las cantidades de calor absorbidas o cedidas en uno u otro caso serán iguales.” De aquí estamos obligados a establecer la siguiente proposición: “El cambio sufrido en el calor especifico de un gas causado por una variación de volumen, depende únicamente de la relación entre el volumen primitivo y el final.” Si la relación entre los volúmenes inicial y final está dada, el calor necesario para producir el aumento de volumen, esta determina, que depende de dicha relación y de la cantidad en peso del gas se debe por tanto concluir que: “La diferencia entre el calor especifico a presión constante y el calor especifico a volumen constante es siempre la misma, cualquiera que sea la cantidad del gas, con tal que su cantidad en peso permanezca la misma.”

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III.

ESBOZO BIOGRÁFICO DE SADI CARNOT

El ingeniero y físico francés Sadi Carnot (1 de junio de 1796), Hijo de Lazare Nicolás Marguerite Carnot, llamado “el organizador de la victoria” fue un matemático e ingeniero. Al nacer, su padre le dio una orientación científica a la educación de Sadi. En esta época, acababa de concluir la revolución francesa. Las escuelas técnicas que proporcionaban al estado los ingenieros civiles y militares estaban desorganizadas y por esta razón se estableció la École Polytechnique, cuyo objetivo era preparar ingenieros para los servicios públicos y privados y rápidamente se convirtieron en una de las escuelas más destacadas de la época. Contaba entre sus profesores a hombres notables como La Place, Poisson, Lagrange, Prony y otros científicos eminentes. Sadi fue admitido en 1812 a los 16 años y en 1814 se graduó, después de esto intento meterse a la escuela de artillería de campaña de Metz; logro un puesto en el cuerpo de ingenieros militares. En 1820 Sadi se retiró del ejército y se dedicó a estudiar principalmente física y economía. En sus últimos trece años de vida realizo investigaciones en gases y vapores y prosiguió sus estudios científicos con gran energía. El fruto de los estudios y dedicación de Sadi fue un breve de libro de 118 páginas, que escribió en 1819, pero publicado por sus propios medios hasta 1824, con el título “Refléxions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres á developper cete puissance”. La publicación de este inauguro la ciencia de la termodinámica. Las bases filosóficas de esta nueva ciencia se proyectan desde el campo de la astronomía directamente, a travez de la geofísica, química, meteorología y física de los gases, hasta la avanzada tecnología de las maquinas térmicas. En la obra de Sadi se enuncia la segunda ley de la termodinámica como un límite teórico al rendimiento de las máquinas, logrando mediante un ciclo de operaciones reversibles. Hoy se sabe que también descubrió la primera ley y que, alrededor de 1830 encontró el valor (370) para el equivalente mecánico del calor. En su obra, Carnot introdujo dos nuevas concepciones que incorporan principios de importancia fundamental: 1. El establecimiento del concepto de maquina térmica, como ciclo y operación en el que el trabajo se produce recibiendo y entregando calor (calórico) 2. El concepto del funcionamiento reversible ideal

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