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 <)% Cada punto sobre la curva representa uno de los estado de equilibrio intermedios% Por otro lado$ un proceso irreversible es aquel que pasa de un estado inicial a uno final a través de una serie de estados de no=equilibrio% En este caso$ sólo los estado inicial y final se pueden representar en un diagrama de P4% &os estados intermedios$ de no equilibrio pueden tener vol-menes bien definidos$ pero estos estados no están caracteriados por una presión -nica para todo el sistema% En lugar de ello$ e!isten variaciones en la presión (y temperatura) a través del rango de volumen y estas variaciones no persistirán si se dean en libertad (es decir$ condiciones de no equilibrio)% Por esta raón$ no es posible representar con una l'nea un proceso irreversible en un diagrama de P4%

+l ,apor como luido ermodin!mico.El uso de vapor como fluido termodinámico se ustifica por gran variedad de propiedades$ en particular/ • •

Es abundante y barato de producir% >ransporta gran cantidad de energ'a por unidad de masa debido al cambio de fase% En efecto$ el calor latente de cambio de fase es del orden de ?%<55 @ABAg%

/iclo 0bierto:

Este fue el primer ciclo de vapor a utiliarse en forma amplia% Corresponde a las t'picas máquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras$ locomóviles y muc*as máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial)% Pasemos a analiarlo en diagramas y en bloques%

Esquema bloques de ciclo de vapor abierto El ciclo opera de la siguiente forma/ un depósito contiene agua para la caldera(0)% &a bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera (?) (aumentando su presión desde la presión atmosférica *asta la presión de la caldera)% En la caldera (donde se le entrega el calor 3)$ el agua ebulle$ formando vapor% El vapor se e!trae de la caldera en la parte superior ()% Por gravedad$ solo tiende a salir vapor saturado$ por lo tanto sale de la caldera con t'tulo muy cercano a !70%% &uego el vapor (a presión) es conducido al motor donde se e!pande$ produciendo el trabao 2%

El motor descarga el vapor utiliado al ambiente que está a 0 atm% Por lo tanto el vapor condensa a 055FC%

Diagrama pG4 de ciclo de vapor abierto En diagrama pG4$ el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeHas cruces$ cerca del n-mero correspondiente)/ En (0) el agua del depósito es l'quido subsaturado% &a bomba aumenta su presión *asta es estado (?)% Como lo que se comprime es solo l'quido$ el volumen de (?) es ligeramente inferior al de (0)% &uego esta agua a presión se inyecta en la caldera% Ill' alcana primero el estado de saturación (intersección de l'nea ?G con campana de cambio de fase) y luego comiena la ebullición dentro de la caldera% Este proceso es a temperatura y presión constante% El vapor sale de la caldera en el estado ()$ como vapor saturado (en teor'a$ realmente siempre tiene un t'tulo ligeramente inferior a !70)% &uego se e!pande en la máquina (motor) generando trabao y es e!pulsado a la atmósfera% Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm$ las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en la atmósfera (055FC)

Diagrama >G1 de ciclo de vapor abierto En diagrama >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%