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Máquinas térmicas y eléctricas 2

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eliecer gonzalez hernandez

on 17 January 2013

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Termodínamica Conceptos básicos
de
termodinámica La termodinámica
es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. ¿Que significa
termodinámica? Denominamos estado de equilibrio
de un sistema cuando las variables macroscópicas presión p, volumen V, y temperatura T, no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente. Se denomina ecuación de estado
a la relación que existe entre las variables
p, V, y T. La ecuación de estado más
sencilla es la de un gas ideal pV=nRT,
donde n representa
el número de moles, y R la constante de los gases
R=0.082 atm·l/(K mol)=8.3143 J/(K mol). Se denomina energía interna del sistema
a la suma de las energías de todas sus
partículas. En un gas ideal las moléculas
solamentetienen energía cinética, los choques entre
las moléculas se suponen perfectamente
elásticos, la energía interna solamente
depende de la temperatura. Hay tres tipos de
sistema
en termodinámica Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.
Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones. Sistemas Abiertos: son los sistemas más comúnes. Este tipo de sistema tiene i
ntercambio de materia y energía con el exterior. Un ejemplo: automóvil (entra combustible, aceite, aire. Salen gases de escape, desechos, se produce energía). Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Sistemas aislados:es el que no puede intercambiar, ni materia, ni calor, ni trabajo con el ambiente. También tienen dos
tipos de propiedades Propiedades intensivas: Son aquellas que no dependen del tamaño del sistema como por ejemplo: temperatura, presión, entre otras. Propiedades extensivas: Estas dependen del tamaño (extensión) del sistema, por ejemplo: masa, volumen, etc. ciclos
termodinámicos Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los que un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado inicial. Hay 5 tipos de estos: Ciclo otto Ciclo Diesel Ciclo Carnot Ciclo Rankine Ciclo Brayton El ciclo de Otto es un conjunto
de procesos utilizados por los motores de combustión interna de encendido por chispa (ciclos de 2 o 4 tiempos). Estos motores a) aspiran una mezcla de aire-combustible, b) lo comprimen, c) provocan su reacción, logrando así eficazmente la adición de calor a través de convertir energía química en energía térmica, d) expanden los productos de la combustión, y a continuación e) expulsan los productos de combustión y lo reemplazan con una nueva mezcal de aire-combustible. El ciclo Diesel es un motor de encendido por compresión (en lugar de encendido por chispa). El combustible atomizado se inyecta en el cilindro de alta presión cuando la compresión se completa, y hay encendido sin una chispa. En estos también hay de 4 tiempos (4T - aplicaciones de vehículos terrestres por carretera como automóviles, camiones y autobuses) como de 2 tiempos (2T - grandes motores de tracción ferroviaria, de propulsión naval, y algunos camiones y autobuses). La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
De este principio podemos inducir el de temperatura,la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas). La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no.la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía. Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes: Admisión
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
Cámara de combustión
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer unarecirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D->→A. Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura. El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. 1-2 comprensión isentrópica de una bomba
2-3 adiciones de calor a P= constante en una caldera abierta
3-4 expansión isentrópica en una turbina
4-1 rechazo de calor a P= constante de un condensador Un motor térmico es un dispositivo que trabaja
de forma cíclica o continua para producir W mientras se le da y cede calor,aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de p, v y T.
Los motores frigoríficos funcionan al reves. Trabaja entre dos focos de calor,Qc, del que extraemos calor, y Qf que recibe calor. El W=Qc-Qf . (motor térmico). circuitos
frigoríficos http://www.elmundo.es/elmundo/2012/02/24/ciencia/1330082637.html El funcionamiento de este tipo de circuito es inverso al de los motores.
Una máquina frigorífica es aquel dispositivo que es capaz de descender la temperatura de un lugas hasta el valor por debajo de su entorno, y por lo tanto el ciclo tiene el mismo objetivo La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. La Inducción electromagnética tiene innumerables aplicaciones para la ciencia, la tecnología y la sociedad como en los generadores de corriente eléctrica, los transformadores, los hornos de inducción, determinados controles y "frenos" magnéticos, etc. Los televisores, los trenes, hasta una sandwichera funciona con inducción magnetica. Cuando en equipo eléctrico que contiene bobinas para funcionar, se le aplica el voltaje, circula por el circuito principal una corriente, la cual produce un campo magnético que a su vez induce en un segundo circuito, otro campo, llamado campo inducido, este produce un voltaje, que casi siempre se opone al voltaje aplicado al campo principal, este fenómeno es llamado por tanto fuerza contraelectromotriz Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado. Hay 4 tipos de transformaciones máquinas eléctricas Se denomina máquina eléctrica a todo dispositivo capaz de generar, trasformar o aprovechar la energía eléctrica.
Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grupos: generadores, transformadores y motores. Generadores: Son máquinas eléctricas capaces de generar energía eléctrica a partir de la energía mecánica que reciben. Transformadores: Son máquinas eléctricas que transforman la corriente eléctica que reciben en corriente eléctrica de diferentes carecterísticas, tanto en voltaje como en intensidad. Podemos encontrarlos monofásicos o trifásicos. Motores: Son las máquinas eléctricas que aprovechan la energía eléctrica que reciben y la transforman en energía mecánica. Según el tipo de energía eléctrica que reciben, diferenciamos los motores de corriente continua y los de corriente alterna .Estos últimos, a su vez, pueden ser monofásicos o trifásicos. Según el tipo de energía eléctrica producida, los generadores se clasifican en:
- Las dinamos generan corriente continua.
- Los alternadores generan corriente alterna. En todo proceso de transformación de la energía, se produce una diferencia entre la potencia que entrega el equipo para su utilización (Potencia útil), y la potencia que absorbe (Potencia absorbida). Esta diferencia se conoce con el nombre de “pérdidas”. El flujo de energía . Encontramos mas de un tipo de pérdidas y que se pueden clasificar en dos tipos. Pérdidas eléctricas.
Las máquinas eléctricas están formadas por circuitos eléctricos y o circuitos magnéticos. Los circuitos eléctricos se realizan mediante conductores de aluminio o cobre, los cuales presentan una resistencia eléctrica, la cual depende del material, su longitud y su sección de acuerdo a la siguiente expresión:
R = ρ . L/S [Ω. mm2/m]

ρ : la resistividad [Ω. mm2/m]
L: la longitud del conductor [m]
S: la sección del conductor [mm2] Pérdidas mecánicas que se deben al rozamientos en los cojinetes de apoyo del rotor
La parte en movimiento de las máquinas eléctricas reciben el nombre de rotor, y debido a la fricción entre el sistema en movimiento y la parte fija en el sistema de apoyo, se produce calor.
Rozamientos de las escobillas sobre el colector ó anillos
El pasaje de corriente desde una parte fija a una móvil en las máquinas eléctricas se obtiene a través de anillos rozantes ó escobillas sobre un colector, produciéndose calor debido a la fricción. Las máquinas frigoríficas cuentan con un sistema de paletas adosadas al eje a los efectos de extraer el calor de las mismas, la potencia que utilizan para impulsar el aire se la considera una pérdida Estas son un ejemplo de algunos tipos de pérdidas pero el conjunto de las pérdidas analizadas son las pérdidas totales de las máquinas eléctricas, las cuales las podemos clasificar en pérdidas fijas ó constantes, las cuales no dependen de la potencia que esté entregando la máquina en cuestión y que son las pérdidas en el hierro y las mecánicas (ya que la velocidad de los equipos permanece prácticamente constante con el estado de carga de los mismos), y las pérdidas variables, como ser las pérdidas en el cobre, las cuales dependen de la carga que entregan en forma cuadrática con la misma.
Oersted (1777-1851), realizó por primera vez un experimento que mostró la existencia de una relación entre la electricidad y el magnetismo. En 1813 había predicho esa relación, y en 1820, mientras preparaba su clase de física en la Universidad de Copenhague, comprobó que al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica, la aguja tendía a orientarse para quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. El experimento de Oersted estableció la certeza de que una corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento= se comporta como un campo magnético. Así, como un imán permanente no tenemos una forma sencilla de variar su campo magnético, con una corriente eléctrica si podemos variar o alternar el < el imán> creado por ella. Para ello, vamos a sustituir dos imanes por dos cables suficientemente largos comparados con su separación, los colocaremos paralelos a una distancia y haremos circular una corriente eléctrica de intensidad I1 e I2 por cada uno de ellos. Del resultado, observaremos que:
a)Si la corriente en ambos es del mismo sentido, los hilos experimentan una fuerza de atracción. Si es de distinto sentido, se repelen.
b)Si aumentamos la intensidad I2 al doble; la fuerza de atracción aumenta al doble; si la aumentamos a triple , la fuerza se triplica. Ello significa que el campo magnético creado por I2 ha aumentado al doble, al triple, etc. Ocurre lo mismo I1.
c)Si aumentamos o disminuimos la distancia, la fuerza disminuye o aumenta en la misma proporción. O sea, a mitad de distancia, doble de fuerza.
d)Si aumentamos la longitud, también aumenta la fuerza de atracción, aunque esto no será determinante dado que, si dividimos dicha fuerza entre la longitud, estaremos calculando la fuerza por la unidad de longitud.
e)Si entre los hilos conductores colocamos algún material, como el cartón, plástico, etc., comprobamos que también cambia la fuerza. Esto hace pensar que puede existir una constante dependiente del medio, al igual que sucedía con el campo gravitatorio o el eléctrico.
Todo lo expuesto se puede resumir en la formula: F1/ l= K I1 . I2 / a
Que demuestra que la fuerza (por unidad de longitud) con la que el cable I1 atrae al cable I2 es directamente proporcional a la distancia que los separa, y que depende del medio. La Ley de Faraday está basada en los experimentos que hizo Michael Faraday en 1831 y establece que el voltaje (FEM, Fuerza Electromotriz Inducida) inducido en una bobina es directamente proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético por unidad de tiempo en una superficie cualquiera con el circuito como borde: Donde Ԑ es la FEM inducida, N es el número de vueltas de la bobina, y ÄÔ es la variación del flujo magnético en un tiempo Ät. Cuando el flujo magnético se da en webers y el tiempo en segundos, la fuerza electromotriz inducida resulta en volts. Un volt es igual a un weber-vuelta por segundo. El signo negativo se debe a que el voltaje inducido tiene un sentido tal que establece una corriente que se opone al cambio de flujo magnético. El cambio del número de líneas magnéticas que pasan por un circuito induce una corriente en él, Si el circuito está cerrado, pero el cambio siempre induce una fuerza electromotriz, esté o no el circuito cerrado. El flujo magnético se define como el producto entre campo magnético y el área que éste encierra: Razonando estas expresiones, es fácil darse cuenta de que si se produce un cambio tanto en el campo magnético como en el área que atraviesa, se inducirá una fuerza electromotriz. En esta experiencia lo que se variará será el campo magnético. El magnetismo, aunque es un efecto espontáneo de la naturaleza ( el campo magnético terrestre y la magnetita), dada su estrecha relación con la electricidad se puede reproducir y controlar de forma artificial. Esto es así hasta el punto de que los principios físicos de la naturaleza, combinados con los de la electricidad, son la base del funcionamiento de los motores eléctricos, que posibilitan la transformación de la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Motores de corriente continua son aquellos que reciben la energía eléctrica en forma de corriente continua y la transforman en energía mecánica como consecuencia del giro de sus partes móviles la constitución de estos motores viene determinada por la necesidad de establecer un campo magnético y de disponer de una serie de bobinas recorridas por la corriente eléctrica y situadas en el seno del campo. En consecuencia, constarán de dos elementos fundamentales: el estádor y el rotor. El estátor es la parte fija del motor, responasable del establecimiento del campo magnético. Para ello, tiene una serie de bobinas, denominadas bobinas inductoras, situadas alrededor de los polos del electrimán. Estos polos van sujetos a la carcasa. El rotor es la parte móvil del motor. Consta de otro conjunto de bobinas denominadas bobinas incluidas, que van arrolladas sobre las ranuras de un núcleo de hierro que recibe el nombre de inducido. Los extremos de las bobinas se sueldan a una serie de láminas de cobre, llamadas delgas, que forman el colector. El conjunto se monta sobre un eje. Al conectar el motor a la fuente de alimentación, la corriente eléctrica circula por las bobinas inductoras generando un electroimán y creando el campo magnético que necesitamos.
Esta corriente continua también circula por las bobinas inducidas a través de las escobillas y del colector.
Una vez establecido el campo magnético, los pares de fuerzas que actúan sobre las bobinas inducidas las obligarán a girar y, con ellas, girará todo el rotor.
De este modo, la energía eléctrica suministrada al motor se transforma en energía mecánica de rotación. Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras y las inducidas entre sí. Por este motivo, distinguimos entre el motor serie, el motor shunt y el motor compound. Motores de corriente alterna hay dos tipos de motores de corriente alterna fundamentales y son los motores asíncrono tritásicos y los asícronos monofásicos. los motores asíncronos trifásicos son motores que reciben la energía eléctrica en froma de corriente alterna de tres fases o hilos y la transforman en energía mecánica. Son motores sencillos de construir, robustos, de fácil mantenimiento y rentables económicamente.
También constan de un estátor y de un rotor o componente giratorio.
El principio de funcionamiento de estos motores es el mismo que los de corriente continua, en cuanto a la acción de fuerzas electromagnéticas sobre conductores, espiras o bobinas. Pero es evidente que hay sustanciales diferencias:
•En primer lugar, la corriente alterna trifásica a la que se conecta el motor se utiliza exclusivamente para que circule por las bobinas inductoras del estator con el fin de que se genere en la máquina un campo magnético que , en este caso, es giratorio.
•En segundo lugar, en los conductores que forman el rotor se inducen a corrientes eléctricas, como consecuencia del campo magnético giratorio. Estas corrientes no proceden de la conexión a la red del motor, tal y como sucedía en los motores de corriente continua.
Sea como fuere disponemos de un campo magnético (giratorio) generado por las bobinas inductoras y, en su interior, una serie de conductores recorridos por una corriente eléctrica inducida. En consecuencia, sobre los conductores se ejercerán unas fuerzas electromagnéticas que obligarán a girar al rotor y a que el motor funcione. los aparatos electrodomésticos y las máquinas herramientas de pequeña potencia, en general suelen estar accionados por motores asíncronos monofásicos, es decir, motores que reciben la energía eléctrica en forma de corriente alterna monofásica o de dos hilos, y la transforman en energía mecánica.
La constitución de estos motores es muy semejante a la descrita para los motores asíncronos trifásicos. En general tienen un rotor de jaula de ardilla y un estator donde se alojan las bobinas inductoras, aunque, en principio, podemos decir que poseen una sola bobina inductora.
Para explicar el funcionamiento de un motor asíncrono monofásico vamos a imaginar una pequeña experiencia con uno trifásico.
Supongamos que tenemos un motor de estas características conectado a la red y funcionando en carga. El rotor gira a una determinada velocidad y este movimiento es aprovechado para accionar otra máquina cualquiera. Los componentes de una máquina frigorífica deben ser, como mínimo, los cuatro siguientes:
Compresor: Donde se aumenta la presión del fluido de forma adiabática. En este proceso se aumenta considerablemente la temperatura del gas.
Condensador: El fluido a temperatura elevada atraviesa un conducto donde libera el calor a presión constante.
Regulador o Válvula de expansión: Es un estrechamiento que retiene al fluido a presión.
Evaporador: Por fin, el fluido es liberado en este elemento, donde se expande a presión constante, absobiendo calor. Las cuatro etapas del ciclo son:
1.- Proceso A-B: El compresor, movido por un motor, realiza un trabajo W y comprime el
fluido refrigerante casi totalmente vaporizado (punto A) de p2 a p1. Al mismo tiempo, eleva
su temperatura desde T2 a T1. El proceso es adiabático (sin intercambio de calor).
2.- Proceso B-C: En el condensador, el fluido en estado de vapor saturado es refrigerado y
se licua (punto C), cediendo el calor Q1 al ambiente o agua de refrigeración. El proceso es
una compresión (disminuye el volumen) isotérmica (a T1 = cte) e isobara (a p1 = cte).
3.- Proceso C-D: En el expansor, el fluido en estado líquido se expansiona adiabáticamente
disminuyendo su presión y su temperatura, con lo que se vaporiza parcialmente (punto D).
En esta transformación el fluido realiza un cierto trabajo, pero es tan pequeño que, en la
práctica, no puede ser aprovechado.
4.- Proceso D-A: En el evaporador el fluido se vaporiza casi en su totalidad a la presión
constante p2 y temperatura constante T2. El proceso es una expansión (aumento de
volumen) isoterma e isóbara.
V= Cilindrada unitario ( por cilindro )
C= Carrera de piston ( recorrido del piston dentro del cilindro entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior).
D= Diametro del piston
Pi= 3.1415
La formula es asi:
V = CARRERA . Pi . D^2
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