Máquinas Térmicas

Cuando un sistema parte de un estado inicial, pasa por sucesivos estados intermedios y vuelve al mismo estado de partida, experimenta una transformación cerrada o ciclo. Cuando se completa un ciclo, todas las variables estado (por ejemplo la presión, volumen, temperatura, energía interna) vuelven a tomar el valor inicial. Por eso el calor y el trabajo no son variables de estado. Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor (Q) en trabajo mecánico (W) de manera cíclica. Toda máquina térmica toma calor de una fuente caliente, realiza trabajo y cede calor a una fuente fría. Parte del calor entregado por la fuente caliente (Q1) se transformara en trabajo y parte del calor será cedido a la fuente fría (Q2). De esta manera el trabajo realizado por la máquina será igual a la diferencia entre dichos calores W = Q1 – Q2.

• El rendimiento de una maquina () establece la relación entre el calor suministrado al sistema y el trabajo que el sistema realiza

Máquinas de Vapor:

Son máquinas con motores de combustión externa, que trabajan para convertir la energía térmica (la fuerza del calor) del agua hirviendo en energía de tipo mecánica (movimiento). Se la utilizó como base para varios de los inventos más importantes de la Revolución Industrial, como la locomotora, los barcos de vapor y en las fábricas, entre otras cosas.

Máquina de Carnot (ciclo de Carnot)

Es una máquina ideal que utiliza calor para realizar trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso de expansión y compresión entre dos temperaturas.

El ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca trabajo. Las transformaciones que constituyen el ciclo de Carnot son:

• Expansión isoterma (1-2): al gas absorbe una cantidad de calor Q₁ manteniéndose la temperatura constante.
• Expansión adiabática (2-3): por ser un proceso adiabático no hay transferencia de calor, el gas debe realizar el trabajo elevando el émbolo.
• Compresión isoterma (3-4): el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor Q₂ la fuente fría.
• Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T₁, cerrando el ciclo.

Esquema del ciclo de Carnot en un diagrama PV

Ciclo de Otto

Es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna. Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:

• E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)
• A-B: compresión de los gases (adiabática A→B)
• B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante y la presión se eleva rápidamente (isócora B→C)
• C-D: expansión (parte del ciclo que entrega trabajo) (adiabática C→D)
• D-A: escape (isócora D→A)
• A-E: escape, vaciados de la cámara a presión constante (renovación de la carga) (isobara A→E)

Esquema del ciclo de Otto en un diagrama PV

Descripción del Ciclo en un motor de combustión Interna:

Admisión (1): el pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto constituye una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula de admisión abierta la presión en el interior del cilindro es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión (2): el pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se representa como la curva adiabática A→B.

Combustión: con el pistón en su punto más alto (punto muerto superior PMS), salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C.

Expansión (3): la combustión del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. Por ser un proceso muy rápido se representa por una curva adiabática C→D.

Escape (4): se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón cuando este asciende.

Motor de 4 tiempos y Ciclo de Otto

Termodinámica: Conceptos Fundamentales

La termodinámica es la rama de la física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y como ésta puede convertirse en trabajo (movimiento). En el siglo XIX fue de vital importancia para mejorar las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial. El punto de partida de la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen como tiene lugar las transformaciones de la energía.

Sistema Termodinámico

Se define como la parte del universo objeto de estudio. Puede ser una célula, una persona, un motor, etcétera. Un sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (paredes diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser:

• Sistema aislado: es aquel que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.
• Sistema cerrado: intercambia energía (calor y movimiento) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).
• Sistema abierto: es aquel que intercambia materia y energía con los alrededores.

Cuando un sistema está aislado y se lo deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores.

Variables Termodinámicas

Son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la naturaleza del sistema objeto de estudio, pueden elegirse distintos conjuntos de variables para describirlo. En el caso de un gas, estas variables son:

• Masa (m): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional se expresa el kilogramo (kg) o en número de moles (mol).
• Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el SI se expresa en m3. También suele utilizarse el litro (). La conversión es
• Presión (p): es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en dirección perpendicular a su superficie. En el SI se expresa en Pascal (Pa). Otra unidad de presión comúnmente utilizada es la atmósfera (atm). La conversión es 1 atm = 105 Pa.
• Temperatura (T o t): a nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que los constituyen. Macroscópicamente la temperatura determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el SI la temperatura se mide el kelvin (K), aunque la escala Centígrados o Celsius (°C) se utiliza con frecuencia. La conversión es T (K) = t (°C) +273,15. La temperatura absoluta suele indicarse con la letra T.

Transmisión del Calor

Existen tres mecanismos de transmisión del calor: Conducción: es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por contacto directo entre sus partículas y sin intercambio de materia. Se origina cuando hay una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micropartículas. Por ejemplo, si se calienta constantemente una barra metálica en uno de sus extremos habrá una transferencia de calor por conducción desde el extremo caliente hacia el frío incrementando la temperatura de este último.

Convección: se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido, gas o plasma) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección en sí es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola, el agua en contacto con la base de la cacerola se calienta y asciende, esto sucede porque al aumentar su temperatura el agua se dilata, y su peso específico se hace menor que el del agua fría que está por encima, la cual desciende y ocupa el lugar que dejó la caliente. De esta manera el agua caliente asciende y el agua fría desciende. Se produce así un flujo denominado corriente de convección que mantiene el agua en movimiento hasta que se calienta toda.

 

Radiación: el calor radiante no es otra cosa que radiación electromagnética. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1 µm a 1000 µm, abarcando por tanto la región infrarroja del espectro electromagnético. La radiación infrarroja de un radiador doméstico común o de un calefactor eléctrico es un ejemplo de radiación térmica.

Espectro Electromagnético

Formas de Transmisión del Calor

Termometría y Calorimetría

El estudio del calor y la temperatura, y de las transformaciones asociadas, fue uno de los temas más fructíferos en el desarrollo del conocimiento científico y tecnológico del mundo que nos rodea. A partir de él surgieron conceptos novedosos, tales como la energía, que hoy nos resultan familiares y fundamentales para comprender fenómenos físicos. Sin embargo, muchos de estos conceptos no fueron conceptualmente claros durante largo tiempo, ya que no se los podía relacionar con la estructura de la materia. El descubrimiento del átomo y su estructura confirmó la hipótesis de que la materia está formada por partículas. Con este modelo presente, la temperatura y el calor se pudieron relacionar con lo que ocurre en la materia a escala microscópica. 

Termometría y Calorimetría

Temperatura (T o t): a nivel microscópico la temperatura de un cuerpo o sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que los constituyen. Macroscópicamente la temperatura determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el SI la temperatura se mide el kelvin (K), aunque la escala Centígrados o Celsius (°C) se utiliza con frecuencia.

Algunas escalas termométricas

Calor

El calor (Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos (desequilibrio térmico). El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema. Dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho se conoce como como Principio Cero de la Termodinámica.

Como el calor es una forma de energía, su unidad de medida en el S.I. es el Joule (J), sin embargo, en la práctica es común utilizar la caloría para la medición del calor. Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en 1 °C (desde 14,5 °C a 15,5 °C), a presión atmosférica normal (1 atm).

Como la caloría es una unidad relativamente pequeña, suele utilizarse una unidad múltiplo, la kilocaloría: 1 kcal = 1.000 cal

Equivalencias: una caloría (cal) equivale a 4,1868 julio (J), mientras que una kilocaloría (kcal) son 4186,8 julios (J).

Calor específico:

Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor, sino energía interna. El calor es por tanto la transferencia de parte de esa energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos se encuentren en desequilibrio térmico. Esta transferencia depende de la masa del cuerpo, del calor específico de dicha sustancia y de la variación de la temperatura (temperatura final menos temperatura inicial).

Donde es la cantidad de calor (J), es la masa del cuerpo (kg), es el calor específico de la sustancia y es la variación de la temperatura (K).

Se define al calor específico como la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un kilogramo de masa. Su unidad de medida en el S.I. es J/kg.K aunque también suele utilizarse la cal/g.°C  

Por ejemplo, si el calor específico del aluminio es 0,220 cal/g.°C, esto significa que un gramo de aluminio necesita una caloría para elevar un grado centígrado su temperatura.

Dinámica de Fluidos

Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos. Las leyes dinámicas para los fluidos sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Cuando los fluidos se ponen en movimiento se comportan de una manera distinta que cuando están quietos. La dinámica de fluidos permite explicar diferentes fenómenos, como el vuelo de un avión, el funcionamiento de un pulverizador, o la circulación del humo por una chimenea, etcétera.

Teorema de Bernoulli

En el año 1783, el físico suizo Daniel Bernoulli presento en su obra Hydrodynamica el teorema que lleva su nombre, el teorema es la aplicación del principio de conservación de la energía a un flujo estacionario. En un flujo de fluido están presente tres tipos de energía: energía cinética debido al movimiento del fluido, energía potencial debido a la presión del fluido y energía potencial gravitatoria debido a la altura del mismo. La suma de estas tres formas de energía es constante. Expresado en forma matemática y en función de la presión, el teorema de Bernoulli establece que:

El término es la presión dinámica debido al movimiento del fluido, es la presión absoluta del fluido y es la presión hidrostática. En otras palabras, el teorema establece una relación fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal, de modo tal que una de estas variables no puede modificarse en forma independiente de la otra.

El Teorema de Bernoulli en la aeronautica

Fuerza de sustentación: el perfil aerodinámico del ala de un avión hace que el aire que circula por encima del ala recorra una distancia mayor que el aire que circula por debajo del ala. Por lo tanto el aire por sobre el ala tiene una mayor velocidad de circulación, y según el Teorema de Bernoulli un aumento en la velocidad de circulación de un fluido provoca una disminución en la presión. Por consiguiente la presión abajo del ala es mayor que por encima y se produce una Fuerza de sustentación que ayuda a “sostener” el avión cuando vuela

   

Aplicaciones del Teorema de Bernoulli

Flotación y Principio de Arquímedes

Diferentes trozos de madera flotan en el agua, por lo tanto un bote que se construya de madera también flotará. Un trozo macizo de hierro, por más pequeño que sea, se hunde al colocarlo en el agua. Sin embargo los barcos construidos de hierro se mantienen a flote y navegan sin hundirse. La flotación de un cuerpo no es un problema que dependa del peso o del tamaño de un cuerpo.

Levantar un cuerpo dentro del agua es más fácil que hacerlo fuera de ella. Al sumergir un cuerpo en un recipiente con líquido aumente el nivel de este último, debido a que el cuerpo desplaza parte del líquido. Si el cuerpo está sumergido completamente, la cantidad de líquido desalojado es igual al volumen de cuerpo. Arquímedes relacionó esto con el empuje que reciben los cuerpos sumergidos: “Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe un empuje vertical de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del líquido desalojado (Principio de Arquímedes)”.

                   

  

  

                                     

Mecánica de Fluidos

Es la rama de la Física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.

La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: La estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de compresibilidad.

Concepto de Presión

Sobre una gran capa de nieve acumulada, una persona puede pararse sobre los esquís sin hundirse, pero seguramente se hundirá si camina por la nieve sin los mismos. En ambos casos, la fuerza que ejerce sobre la nieve es la misma (peso de la persona), pero lo que cambia es el área de la superficie de contacto. La presión que ejerce el peso de la persona sobre la nieve es diferente en cada caso. El concepto de presión permite explicar y entender muchos otros fenómenos de la naturaleza y de la vida cotidiana.

p = F / S

“Se define la presión (p) como el cociente entre el módulo de la fuerza (F) ejercida perpendicularmente sobre el área  de una superficie dada (S)”.

La unidad de medida (SI) es el pascal (Pa), y se lo define como la presión que ejerce una fuerza de 1N aplicada sobre una superficie de 1m².

Pa = N / m²

Por ejemplo: para calcular la presión que ejerce un cuerpo de 180 N de peso sobre una superficie de 2m².

p = F / S

p = 180 N / 2 m²

p = 90 Pa

La Presión en la Prensa Hidráulica

El matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad en todas direcciones y sentidos (principio de Pascal). Gracias a este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras relativamente pequeñas. Uno de los aparatos más comunes para alcanzar lo anteriormente mencionado es la prensa hidráulica, la cual está basada en el principio de Pascal y es esencialmente un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferentes áreas que, mediante una pequeña fuerza sobre el pistón de menor área, permite obtener una fuerza mayor en el pistón de mayor área.

 

               

Prensa Hidráulica en Equilibrio

Cuando se aplica una fuerza F₁ sobre el área del pistón menor S₁ se genera una presión p₁:

Por ejemplo:

Los pistones de una prensa hidráulica tienen 25 cm² y 150 cm². Si se aplica una fuerza de 100 N en el pistón pequeño, ¿Cuál será la fuerza que se ejerza sobre el mayor? ¿Cuál es la presión que ejerce la prensa?

Sistema de Comunicación: El lenguaje

El lenguaje de la Química:

En química se utiliza un lenguaje especial a base símbolos químicos, fórmulas químicas y ecuaciones químicas.

- Los símbolos químicos son los signos abreviados que se utilizan para identificar los elementos y compuestos químicos en lugar de sus nombres completos. Algunos elementos frecuentes con sus símbolos son: carbono C; oxígeno O; hidrógeno H; cloro Cl; azufre S; magnesio Mg; aluminio Al; cobre Cu; hierro Fe; plata Ag. La mayoría de los símbolos químicos se derivan de las letras griegas del nombre del elemento, principalmente en latín, pero a veces en inglés, alemán, francés o ruso. La primera letra del símbolo se escribe con mayúscula (imprenta), y la segunda (si la hay) con minúscula.

- La fórmula química es la representación de los elementos que forman un compuesto y la proporción en que se encuentran, o del número de átomos que forman una molécula. También puede darnos información adicional como la manera en que se unen dichos átomos mediante enlaces químicos e incluso su distribución en el espacio.

- La ecuación química es una descripción simbólica de una reacción química. Muestra las sustancias que reaccionan (llamadas reactivos o reactantes) y las sustancias que se originan (llamadas productos). La ecuación química ayuda a visualizar los reactivos que son los que tendrán una reacción química y los productos, que son las sustancias que se obtiene de este proceso. Además se pueden ubicar los símbolos químicos de cada uno de los elementos o compuestos que estén dentro de la ecuación y poder balancearlos con mayor facilidad.

La Matemática, el lenguaje de la Física:

En física se representan conceptos básicos mediante símbolos matemáticos, por ejemplo x, v, t, m para designar la posición, la velocidad, el tiempo y la masa respectivamente, y se establecen métodos experimentales bien precisos para asignarles a estos símbolos valores numéricos. Por ejemplo si se estudia la emisión de radiación por una sustancia, se observará que la cantidad de materia activa va disminuyendo a lo largo del tiempo. Pero esta variación cualitativa no alcanza, es necesario saber exactamente qué cantidad de materia queda en cada momento. Para expresar esta relación entre el tiempo transcurrido y la cantidad de materia se recurre a una ecuación matemática.

De esta manera, las relaciones cualitativas entre los conceptos (cuando se suelta un cuerpo en el vacío, su velocidad aumenta a medida que cae) se transforman en relaciones cuantitativas expresadas mediante ecuaciones.