Las máquinas térmicas son un conjunto de elementos mecánicos que han hecho posible la transformación del calor en energía mecánica y viceversa. Son los dispositivos que más han contribuido en el progreso indispensable del desarrollo tecnológico actual.
Debido a este gran desarrollo han llegado a ser imprescindibles en muchos aspectos de la vida moderna ya sea directa o indirectamente, para facilitar y realizar tareas que sean de una manera más simple en la vida del hombre.
Los tres principales beneficios que las maquinas térmicas nos proporcionan, se pueden mencionar los siguientes:
1.- Transportes: el sistema de transportes que actualmente se utiliza depende mucho de las maquinas térmicas para su propulsión, ya sea para transporte terrestre, marina o aéreo.
2.- Generación de energía eléctrica: la energía eléctrica ha llegado a ser la energía mas utiliza por el hombre en muchos aspectos, y en este campo las maquinas térmicas presentan una de las más grandes contribuciones, ya que generan la mayor parte de la energía eléctrica que se consume.
3.- Agricultura: prácticamente la mayoría de las labores agrícolas mecanizadas que se realizan en el mundo actualmente, se llevan impulsadas por maquinas térmicas.
Las maquinas térmicas contribuyen uno de los logros más grandes y sorprendentes de la tecnología moderna, pues mediante a estas ha sido posible obtener energía mecánica abundante y barata para mover toda clase de maquinaria industrial y de transportes que nos permiten satisfacer las necesidades de la vida actual.
El grandioso desarrollo que ha tenido la industria, la agricultura, las comunicaciones y de mas fuentes, no hubieran sido posibles sin lo aportado por las maquinas térmicas. Hay que mencionar que las maquinas térmicas no son las únicas fuentes de energía con las que se cuenta en la actualidad; existen otras fuentes como las maquinas hidráulicas, las eólicas, entre otras. Sin embargo las maquinas térmicas aportan alrededor del 75% de toda la energía mecánica consumida en el mundo.
- Arreola L. Y Rosello F., ENERGIA Y MAQUINAS TERMICAS, México, LIMUSA, 1983
- Cupido, J., MAQUINAS TERMICAS, Mexico, ESIME, I.P.N., 1997.
Clasificación. Según el sentido de transferencia de energía
Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:
1.- Máquinas térmicas motoras: en estas la energía de un fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica.
2.- Máquinas térmicas generadoras: en estas la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica.
Según el principio de funcionamiento
Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:
1.- Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo: aquí el funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina.
2.- Turbo máquinas: su funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.
Volumétricas | Alternativas | ||
Rotativas | |||
Turbo máquinas | |||
Generadoras | Volumétricas | Alternativas | |
Rotativas | |||
Turbo máquinas | |||
Balance de energía en una máquina térmica
Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energía con el entorno. Aplicando el primer principio de la termodinámica para un sistema abierto, el incremento de energía del sistema en un intervalo de tiempo es:
Donde;
- Q es el calor entregado al sistema.
- W es el trabajo entregado al sistema, en forma de trabajo mecánico y energía de presión.
- El subíndice in representa la materia que entra al sistema.
- El subíndice out representa la materia que sale del sistema.
- h es la entalpía por unidad de masa del flujo
- V2/2 es la energía cinética por unidad de masa del flujo.
- gz es la energía potencial por unidad de masa del flujo
Régimen permanente
Cuando la máquina funciona en régimen permanente, las cantidades de masa y energía que entran son iguales a las que salen, pues de lo contrario variarían esas cantidades dentro del sistema.
Sistemas adiabáticos
En la mayoría de las máquinas térmicas, la transferencia de calor es despreciable frente a otros intercambios de energía. Teniendo en cuenta la transmisión de calor por conducción y convección
donde Q es el calor intercambiado, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es la superficie del sistema y ΔTLM es la diferencia de temperaturas media logarítmica, puede considerarse que el sistema es adiabático cuando se da alguna de las siguientes condiciones:
- La superficie externa del sistema está bien aislada térmicamente.
- La superficie externa del sistema es muy pequeña.
- La diferencia de temperaturas entre el flujo y el entorno del sistema es pequeña.
- El fluido pasa a través de la máquina tan rápido que apenas hay tiempo para que sea significativa la transferencia de calor por unidad de masa.
Rendimiento
Diagrama h-S de vapor de agua, en el que se muestran en rojo dos expansiones entre dos isobaras distintas. La presión de salida es una condición de contorno para el proceso. Con una expansión iso entrópica entre las presiones de entrada y de salida se obtendría mayor salto entálpico.
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En conclusión, se puede establecer que los dispositivos para llevar acabo la transformación del calor en energía mecánica y viceversa, es a lo que se les llama maquinas térmicas. Debido a su grandioso desarrollo han llegado a ser imprescindibles en casi tosoa los aspectos de la vida moderna del ser humano.
De aquí se comprende la importancia que tiene el estudio de las maquinas térmicas.
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