MAQUINAS TÉRMICAS. El trabajo puede convertirse fácilmente en formas de energía, pero para convertir la energía en trabajo no es así de sencillo, para ello se requiere de algunos dispositivos especiales llamados maquinas térmicas. térmicas. Las cuales se caracterizan por lo siguiente: Alta temperatura FUENTE
Q en en
MAQUINA TÉRMICA
W neto,sal
Q sal sal
Baja temperatura SUMIDERO
1. Reciben una fuente de calor de alta temperatura (energía solar, hornos de petróleo, reactores nucleares, etc.) 2. Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en forma de un eje en rotación.) 3. Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmosfera, los ríos, etc.) 4. Operan en un ciclo.
Las maquinas térmicas y otros dispositivos suelen incluir un fluido desde el cual se transfiere el calor mientras se somete a un ciclo, este fluido recibe el nombre de fluido de trabajo. trabajo. El dispositivo productor de trabajo que mejor encaja en la definición de maquina térmica es la central eléctrica de vapor, que es una maquina de combustión externa; el proceso de combustión sucede fuera de la maquina, y la energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor. Fuente de energía (como un horno)
Q en
caldera w en
bomba
turbina
W neto,sal
condensador
Q sal
Sumidero de energía (como la atmósferas)
Cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera de una fuente de alta temperatura (horno).
Cantidad de calor liberado del vapor en el condensador del sumidero de baja temperatura (la atmosfera, un rio, etc.) Cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina.
Cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.
Las rutas de la interacción entre el calor y trabajo se indican con los subíndices en y sal por consiguiente las cuatro cantidades son positivas. La salida de trabajo neto de esta central eléctrica es sencillamente la diferencia entre la salida de trabajo total de la planta y la entrada de trabajo total.
Recuerde que para que un sistema cerrado que se somete a un ciclo, el cambio de energía es cero y, por ello, la salida de trabajo neto del sistema también es igual a la transferencia de calor neto al sistema:
EFICIENCIA TÉRMICA.
En la ecuación representa la magnitud de la energía desechada para completar el ciclo. Pero nunca es cero; así que la salida de trabajo neto de una maquina térmica siempre es menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, solo la parte del calor transferida a la maquina se convierte en trabajo. La fracción de la entrada de calor se convierte se convierte en la salida de trabajo neto es una medida del rendimiento de una maquina térmica y recibe el nombre deeficiencia térmica.
En maquinas térmicas la salida deseada es la cantidad de trabajo neta, y la entrada requerida es la cantidad de calor suministrada al fluido de trabajo. En ese caso la eficiencia térmica de una maquina de ese tipo puede expresarse como:
Se define también como:
Puesto que
Los dispositivos cíclicos de interés practico, como las maquinas térmicas, los refrigeradores y las bombas de calor, operan entre en un medio de alta temperatura (o deposito) a temperatura y un medio de baja temperatura . Para brindar uniformidad al tratamiento de las maquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, las siguientes dos cantidades son definidas:
Magnitud de transferencia de calor entre un dispositivo cíclico y un medio de alta
temperatura a temperatura
Magnitud de tranferencia de calor entre un dispositivo cíclico y un medio de baja temperatura a temperatura Advierta que tanto como son definidas como magnitudes y por ello son cantidades positivas. La dirección de y se determina fácilmente por inspección y no es necesario preocuparse por sus signos. Así, las relaciones de la salida de trabajo neto y de la eficiencia térmica puede expresarse como:
Y
O
La eficiencia térmica de una maquina térmica siempre es menor que la unidad puesto que tanto como se definen como unidades positivas. La eficiencia térmica mide el desempeño que tiene una maquina térmica al convertir el calor en trabajo. Las eficiencias térmicas de los dispositivos que producen trabajo son sorprendentemente bajas. Los motores de automóvil de encendido de chispa tienen una eficiencia térmica aproximada del 20% mientras que los motores a diesel y las grandes centrales de turbinas de gas es de 30% y 40% aproximadamente. Hoy en día, incluso las maquinas térmicas más eficientes disponibles, más de la mitad de la energía suministrada termina en ríos, lagos o en la atmosfera como energía de desecho o inútil. ¿PODEMOS AHORRAR
?
En una central eléctrica de vapor, el condensador es el dispositivo donde las grandes cantidades de calor de desecho se liberan en ríos, ríos, lagos o la atmosfera. Desafortunadamente este proceso (condensador) no se puede eliminar, ya que no se completaría el ciclo cuya función es el proceso de enfriamiento. Considere una maquina térmica simple como se muestra en la figura, que sirve para levantar pesos. Consta de un dispositivo cilindro – embolo con dos conjuntos de topes. El fluido de trabajo es el gas contenido dentro del cilindro.
(15 kJ)
Al inicio la temperatura del gas es de 30 C. el embolo, el cual está cargado con los pesos descansa sobre los topes inferiores.
gas 90ºC
gas 30ºC
entrada de calor (100 kJ)
gas 30ºC
entrada de calor (85ºC)
deposito a 100ºC
deposito a 20ºC
Después al gas en el cilindro, se le transfieren 100 kJ de calor a partir de una fuente a 100 C, lo cual provoca que el gas se expanda y levante el embolo cargado hasta llagar a los topes superiores. En este punto se quita la carga y se observa que la temperatura del gas es de 90 C.
El trabajo hecho sobre la carga durante este proceso de expansión es igual al aumento de su energía potencial, digamos 15 kJ. En conclusión toda máquina térmica debe desechar cierta cantidad de energía transfiriéndola a un depósito de baja temperatura para completar el ciclo. El requisito de que una maquina térmica intercambie calor con al menos dos depósitos para una operación continua forma la base para la expresión de Kelvin – Planck de la segunda ley de la termodinámica. EJEMPLO 1. Se transfiere calor a una maquina térmica desde un horno a una relación de 80 MW. Si la relación de liberación de calor de desecho a un rio cercano es de 50 MW, determine la salida de potencia neta y la eficiencia térmica para esta máquina. Solución. El horno sirve como el depósito a alta temperatura para esta máquina térmica y el rio como el depósito de baja temperatura. En este caso las cantidades dadas pueden expresarse en forma de relación como.
Y
Despreciando las pérdidas térmicas que tiene el fluido de trabajo conforme pasa por las tuberías y otros componentes, la salida de potencia neta de esta máquina se determina como:
Entonces la eficiencia térmica se determinara fácilmente como.
Es decir, la maquina térmica convierte el trabajo 37.5% del calor que recibe. EJEMPLO 2. Un motor de automóvil con una salida de potencia de 65 hp tiene una eficiencia térmica de 24%. Determine la relación de consumo de combustible de este automóvil si el combustible tiene un valor calorífico de 19 000 Btu/lbm. (es decir, 19 000 Btu de energía se liberan por cada lbm de combustible quemado). Solución. El motor se accióna y convierte 24% de energía química liberada durante el proceso de combustión en trabajo. La cantidad de energía de entrada requerida para producir una salida de potencia de 65 hp se determina por la definición de la eficiencia térmica:
Para suministrar energía a esta relación, el motor debe quemar combustible a razón de:
Puesto que se liberan 19 000 btu de energía térmica por cada lbm de combustible quemado.