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Motor a vapor

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by

Daniel Ramos López

on 27 June 2015

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Transcript of Motor a vapor

Análisis del mecanismo de un motor a vapor

Objetivos
-Analizar y comprender el funcionamiento de un motor a vapor.
-Explicar que fenómenos físicos ocurren en el funcionamiento de un motor a vapor.
-Demostrar el rendimiento de un motor a vapor
Esquema de un Motor a Vapor
Cálculo del Rendimiento
Cálculo del Rendimiento
Energía en un motor a vapor
Aplicaciones del motor a vapor
Rendimiento Cinético del Motor
Conclusiones y Recomendaciones
Turbina de Vapor de Herón
Caldera conectada mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que podía girar libremente
Primera Máquina de Vapor
Consistía en dos recipientes de cobre que se llenaban alternativamente del vapor de una caldera. y a dos tuberías, una de las cuales lo conectaba al agua de la mina que se pretendía extraer y otra al exterior.
Máquina de Vapor
El principal objetivo de una máquina de vapor es cambiar la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. El agua calentada forma vapor que pasa por canales ejerciendo presión y por consiguiente fuerza motriz
Energía Calorífica
Todos los átomos que forman las moléculas de algún objeto se encuentran en constante movimiento, pueden estar trasladándose de un lugar a otro o vibrando, este movimiento implica que los átomos tengan una determinada energía cinética a la que nosotros llamamos calor o energía calorífica.
Enegía Mecánica
Sistema Energético del motor
Es un sistema termodinámico que experimenta cambios de estado por la variación de energía térmica o temperatura que se da en la caldera o fogón y experimenta cambios de estado como el agua que pasa de ser líquida a un gas (vapor de agua), estos sistemas aún pudiendo experimentar cambios reversibles sin disipación, tampoco conservarán la energía mecánica debido a que la única variable conservada es la energía interna.
Considerando esto, para que un motor a vapor pueda ser conservativo se debe:
Mantener una temperatura constante
Tener un sistema refrigerante para que el vapor de agua regrese a estado líquido.
En la Revolución Industrial
Tuvieron un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Además la máquina de vapor puede ser conectada a conversores de energía, como un dínamo para producir otros tipos de energía.
En la Actualidad
Las máquinas de vapor que se utilizan hoy en día, tienen como fin la producción de energía eléctrica, con la diferencia de que ya no son de émbolo, sino que han evolucionado en turbomáquinas, son atravesadas por un flujo constante de vapor las cuales reciben el nombre genérico de Turbinas de Vapor.
Comparación con otros motores
Actualmente, la máquina de vapor es una clase de motor que está en desuso, a excepción de servicios de reserva o auxiliares, debido a que se la ha reemplazado por el motor eléctrico y por el motor de combustión interna debido al bajo rendimiento de este motor en relación a los dos últimos mencionados.
Antecedentes
Transmisión de la Energía
La energía calorífica se puede transmitir de un cuerpo a otro por radiación, conducción o convección.
Vapor de Agua
El vapor de agua es obtenido a través del cambio físico del agua en estado líquido a estado gaseoso, para esto es necesario un cambio de temperatura, en el caso del agua este cambio se da a los 100° C, bajo una atmósfera de presión, es decir, en condiciones normales, el vapor de agua es el agente que produce la fuerza motriz en un motor a vapor
En un motor a vapor la energía para calentar el agua se da por convección
Forma de energía interconvertible en trabajo mecánico de modo directo a través de un sistema mecánico como una turbina, una polea, etc. Las formas principales de energía mecánica son la cinética y la potencial.
La energía mecánica se permanece siempre constante en sistemas conservativos y es igual a la suma de todas las energías potenciales y de movimiento de un sistema teniendo
Energías Potenciales
Gravitacional
Elástica
Energía Cinética
Energía Potencial Gravitacional
Energía Potencial Elástica
Energía Cinética
Motor de Combustión interna
Motor Eléctrico
Turbina de Vapor
Locomotora de Vapor
Barco a Vapor
Conclusiones
Recomendaciones
1. Con esto se concluye que con 60ml de agua en un motor a vapor cuya caldera sea cilíndrica se genera una energía cinética de 7,65kJ.
2. También podemos concluir que gracias a la idea del griego Herón se ha podido desarrollar la teoría de sistemas de energía conservativos.
3. Este análisis nos lleva a poder rectificar que la materia y la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
4. Este experimento muestra uno de los principios básicos de la física: por cada acción debe haber una acción igual y opuesta.
5. El rendimiento de un motor a vapor es muy bajo, pues solo una cantidad casi despreciable de la energía se convierte en movimiento, siendo poco eficiente y poco ahorrativo.
1. Se recomienda realizar los cálculos con números pequeños, y utilizando tres decimales en su manera redondeada.
2. Recomendamos consultar libros antiguos de física ya que hay muchos aportes científicos que con el tiempo han sido bases muy útiles para la vida cotidiana.
3. Para que un motor pueda estar en constante funcionamiento es necesario que la energía de entrada se conserve.
4. Para adquirir un poco más de energía por parte del motor a vapor se recomienda utilizar cantidades grandes de agua.
5. Es recomendable que se utilice motores con un rendimiento más alto para que la energía de ingreso genere más movimiento, como motores de combustión interna o motores eléctricos cuyo rendimiento es superior.
Para realizar el cálculo de calentamiento se debe considerar:

La cantidad de agua.
La Variación de temperatura.
La energía calórica en Joules

Para hacer que el agua cambide estado líquido a gaseoso (vapor de agua) se requiere seis veces más energía de la que se requirió sólo para calentarla
Para calentar 60 ml de agua de 20ºC a 120ºC, es necesario:
0,06 ×100 ×4,2=25,20kJ
Donde:
0.06 = 60ml de agua expresada en litros
100 = Variación de Temperatura (120° - 20°)
4,2 = Equivalencia de Un Joule (Energía) en calorías
25,20kJ Energía Necesaria para el calentamiento
151,20kJ Energía Necesaria para el cambio de estado
El rendimiento calorífico de una caldera cilídrica simple es de aproximadamente un 60%, en este caso se requeríria imprmir más de la energía sugerida para el calentamiento y cambio de estado, pues el 40% de energía se pierde.

El rendimiento de un motor de vapor clásico o tradicional es del 2% al 3%, por lo que sólo dicho porcentaje de la energía suministrada puede convertirse en energía cinética
151,2kJ = Energía para el calentamiento y cambio de estado (60% de la Energía Suministrada).

252kJ = 100% de la Energía suministrada o Energía de Ingreso.

Rendimiento del Motor = 3%

252kJ = 100% Energía total de entrada
7,56kJ = 3% Energía de Entrada = Energía Cinética total de Salida
244,44kJ = 97% Energía de Entrada = Entropía en el sistema

Entropía: Magnitud física cuyo valor permite conocer la porción o parte de la energía
no
utilizable o aplicable para generar trabajo, especialmente mecánico.
Mediante los cálculos Efectuados podemos notar que una cantidad casi desperciable de la energía de entrada se convierte en energía útil de movimiento, por lo que este motor no es útil si no trabaja bajo un sistema conservativo debido a que se perdería más energía de la que se produce (
Definición de Energía en el Motor de Vapor
)

De 252.000 Joules de energía sólo son útiles 7.560 Joules por esta razón con el pasar de los años se aplicaron los conocimientos de rendimiento de motores y la aplicación que se les puede dar para así desarrollar motores que puedan satisfacer con menos energía, las mismas aplicaciones que se le dió al motor a vapor (
Definición de Aplicaciones del Motor de Vapor
)

Se demuestra así el bajo rendimiento energético de un
Motor a Vapor.
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