Trabajo prctico de la segunda ley de termodinmica.Ciclo Dieselwww.mecanicajhonvera.blogspot.com.ar

Temario:La historia de la termodinmica junto a las mquinas trmicas.La historia de los motores diesel y de Rudolph Diesel.Funcionamiento de los motores diesel y de combustin interna.

La termodinmica (termo/calor y dinmica/fuerza) es de vital importancia en nuestra vida cotidiana. Es una rama de la fsica que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presin y volumen de los diferentes sistemas.

El origen sin lugar a dudas fue la curiosidad que despert el movimiento producido por la energa del vapor de agua, estos hallazgos fueron por mera casualidad o simplemente por experiencias, esos descubrimientos fueron perfeccionados a travs del tiempo.

La primer mquina trmicade la historia. La primer mquina conocida por las crnicas de la poca es de Eolpila de Heron que usaba la reaccin producida por el vapor al salir por un orificio para lograr un movimiento. Esta mquina es la primera aplicacin del principio que usan actualmente las llamadas turbinas de reaccin aunque en dicho tiempo no fue utilizada como mtodo de estudio, sino de juego. www.adivinaciencias.blogspot.com.ar

Siguiendo con la historia, llegamos al 1629, Giovanni Branca dise una mquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que produca sobre una rueda el vapor que sala por un cao, aunque no se sabe si fue construida dicha mquina, pero de ah el primer intento de construccin de las que hoy se llaman turbinas de accin.La mayor aplicacin de las posibilidades de la mquina como reemplazo de la traccin a sangre, ya antes nombrada, consista en la elevacin de agua desde el fondo de las minas. Por ellos la primera aplicacin del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada mquina de fuego de Savery, dicha mquina era un cilindro conectado mediante una caera a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la lleve de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se produca un vaco que permita el ascenso del agua.

Mquina de fuego de Savery.1- El recipiente con agua hirviendo.2- El recipiente con agua fra.3- Vlvula de presin.4- Colector de agua.5- Tubo hacia el exterior protegido con una vlvula antirretorno.6- Espita para rellenar agua en la caldera.

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A esta mquina la sigui la mquina de vapor de Thomas Newcomen construida en 1712. La innovacin consisti en la utilizacin del vaco del cilindro para mover un pistn que a su vez provea movimiento a un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba convencional de las llamadas aspirante-impelente. Esta mquina produca un movimiento oscilatorio muy bueno para los trabajos de vaivn. Una idea de el trabajo que produca esta mquina en un hecho histrico, en una mina de Francia, en 48 horas pudo desagotarla mientras que para realizar el mismo proceso meses atrs requirieron del trabajo de 50 hombres y 20 caballos al cabo de una semana las 24horas. Luego Joan Smeaton perfeccion dicha mquina para vaciar los diques secos en Rusia encargado por la reina Catalina II.

Mquina de Newcomen.1- Recipiente con agua. 2- Vlvulas. 3- Spray de agua. 4- Cilindro.5-Tanque condensador de agua. 6- Pistn. 7- Peso. 8- Balancn. 9- Barra de bombeo.www.profesoratecno.blogspot.com.ar

Watt James Watt (1736-1819), pionero en la revolucin industrial, se propuso estudiar la magnitud del calor puesto en juego en el funcionamiento de la mquina en general, esto permitira estudiar su rendimiento. Watt encontr la dificultad de desconocer los valores de las constantes fsicas involucradas en el proceso, a raz de ellos debi realizar un proceso de mediciones para contar con datos confiables, estas mediciones lo llevaron a descubrir q la mquina de Newcomen solo usaba un 33% del vapor consumido para realizar el trabajo til.

Watt aport en todo lo que sea lograr un mayor rendimiento, invent el prensaestopa que acta manteniendo la presin mientras se mueve el vstago del pistn, introdujo la bomba de vaco para incrementar el rendimiento en el escape, ensayo un mecanismo que convirtiera el movimiento alternativo en rotativo, en 1782 patent la mquina de doble efecto (el vapor empuja en ambas carreras del pistn), ide vlvulas de movimiento vertical que permitan mantener la presin de la caldera mediante la fuerza de un resorte comprimido. Cre el manmetro para medir la presin del vapor y un indicador que poda dibujar la evolucin presin-volumen del vapor en el cilindro a lo largo de un ciclo. Con el objetivo de establecer una unidad adecuada para la medicin de la potencia, realizo la experiencia de el caballo de fuerza que consisti en que un caballo levantara 76kg hasta una altura de 1 metro en un segundo, siguiendo con este ritmo durante cuanto tiempo, dicho valor se usa en la actualidad.

La caldera hierve el agua(1), cuando la presin del vapor es considerable, la vlvula B se abre dejando pasar el vapor al cilindro (6), consiguiendo as desplazar el pistn (5) hacia arriba debido al aumento de la presin. Al subir el pistn, el agua contenida en el hueco sobrante del cilindro (6) pasa al tanque (3), la vlvula D, al aumentar la presin en el tanque (3), se abre dejando pasar el agua al cilindro (6).

1-Recipiente con agua.2-Volante.3-Tanque condensador de agua.4-Balancn.5-Pistn.6-Cilindro.www.albertoroura.com/peich.php?maquina_vapor

Luego de la mquina de Eolipila de Heron que era usada slo como entretenimiento.Pasando por la mquina de fuego de Savery.Hasta la Mquina de Newcomen.Llegando a todos los avances de Watt implementados a distintas mquinas termicas como locomotoras, barcos a vapor, camiones a vapor, etc. Llegamos a Carnot, algunos dicen que esta es la etapa cientfica de la termodinmica...

CarnotSadi Carnot (1796-1832) es el fundador de la termodinmica como disciplina terica, escribi su trabajo cumbre a los 23 aos. Este escrito estuvo desconocido durante 25 aos hasta que el fsico Lord Kelvin redescubriera la importancia de las propuestas contenidas en l.Llam la atencin de Carnot el hecho de que no existieran teoras que avalaran la propuestas utilizadas en el diseo de las mquinas de vapor y que todo ello dependiese de procedimientos enteramente empricos. Para resolver la cuestin propuso que se estudiara todo el procedimiento desde el punto de vista mas general, sin hacer referencia a un motor, mquina o fluido en especial.Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir haciendo notar que fue quien desarroll el concepto de proceso cclico y que el trabajo se produca enteramente "dejando caer" calor desde una fuente de alta temperatura hasta un depsito a baja temperatura. Tambin introdujo el concepto de mquina reversible.El principio de Carnot establece que la mxima cantidad de trabajo que puede ser producido por una mquina trmica que trabaja entre una fuente a alta temperatura y un depsito a temperatura menor, es el trabajo producido por una mquina reversible que opere entre esas dos temperaturas. Por ello demostr que ninguna mquina poda ser mas eficiente que una mquina reversible.www.wikipedia.org

ClausiusLord KelvinA pesar que estas ideas fueron expresadas tomando como base la teora del calrico, resultaron vlidas. Posteriormente Clausius y Kelvin, fundadores de la termodinmica terica, ubicaron el principio de Carnot dentro de una rigurosa teora cientfica estableciendo un nuevo concepto, el segundo principio de la termodinmica. Carnot tambin establece que el rendimiento de cualquier mquina trmica depende de la diferencia entre temperatura de la fuente mas caliente y la fra. Las altas temperaturas del vapor presuponen muy altas presiones y la expansin del vapor a bajas temperaturas producen grandes volmenes de expansin. Esto produca una cota en el rendimiento y la posibilidad de construccin de mquinas de vapor. En esta poca todava tena vigencia la teora del calrico, no obstante ya estaba germinando la idea de que esa hiptesis no era la adecuada, en el marco de las sociedades cientficas las discusiones eran acaloradas. www.wikipedia.org www.wikipedia.org

En la actualidad:

Hoy se ha llegado a una interesante perfeccionamiento de las mquinas trmicas, sobre una teora basada en las investigaciones de Clausius, Kelvin y Carnot, cuyos principios estn todava vigentes, la variedad de mquinas trmicas va desde las grandes calderas de las centrales nucleares hasta los motores cohete que impulsan los satlites artificiales, pasando por el motor de explosin, las turbinas de gas, las turbinas de vapor y los motores de retropropulsin. Por otra parte la termodinmica como ciencia acta dentro de otras disciplinas como la qumica, la fsica, la biologa, etc.

Conclusin:El desarrollo de la termodinmica tiene un origen emprico como muchas de las partes de la tecnologa.Una de las curiosidades en la aplicacin temprana de efectos del vapor en la etapa que dimos en llamar emprica y que a lo largo de su desarrollo cambiara su origen en varias hiptesis, flogisto, calrico y finalmente energa.Con Watt se logra el perfeccionamiento en la tecnologa, se comprenden los principios bsicos de la misma y se aslan las variables que intervienen en el funcionamiento de la mquina, la introduccin de la unidad para medir la potencia conduce al manejo de criterios de comparacin.Despues de Watt comienza el desarrollo de las mquinas mviles con las realizaciones de Robert Fulton y George Stephenson. Tambin es importante marcar como las teoras de Carnot tienen an validez en su forma original a pesar de haber estado fundamentadas en una hiptesis errnea, la del calrico. Carnot introduce tres conceptos fundamentales:El concepto de ciclo o mquina cclica.La relacin entre la "cada del calor de una fuente caliente a otra mas fra y su relacin con el trabajo.El concepto de mquina reversible de rendimiento mximo.Gracias a Clausius y Kelvin se convierte a la termodinmica en una ciencia independiente de alto contenido terico y matemtico, lo que logra entender los fenmenos que se desarrollaban y fundamentar progresos tecnolgicos.

Historia de Rudolph Diesel.(Rudolph Christian Karl Diesel; Pars, 1858-canal de la Mancha, 1913) Ingeniero alemn. Diesel vivi en Pars hasta 1870, fecha en que, tras el estallido de la guerra franco-prusiana, su familia fue deportada a Inglaterra. Desde Londres fue enviado a Augsburgo, donde continu con su formacin acadmica hasta ingresar en la Technische Hochschule de Munich, donde estudi ingeniera bajo la tutela de Carl von Linde, inventor de la nevera. En 1880 se uni a la empresa que Von Linde posea en Pars.www.wikipedia.org

Era un hombre interesado por las necesidades sociales de las personas de su poca. Muchas veces manifest que el nacimiento de su motor fue originado por el deseo que tena de que el trabajador independiente pudiese competir con las grandes industrias del momento. Se consideraba a s mismo como un filsofo, aunque su libro Solidarity, donde describe su visin de la empresa, slo vendi 200 ejemplares. Se estima que muri el 29 / 30 de septiembre de 1913, y una de tantas hiptesis enuncia que falleci ahogado, pues desapareci del buque que cubra el trayecto de Amberes a Inglaterra en el que viajaba. Un par de das despus su cuerpo fue encontrado por un bote de la guardia costera.

Motor Diesel. El inicio. Su primera preocupacin, referente a la termodinmica, fue el desarrollo de un motor de combustin interna cuyo rendimiento energtico fuese lo ms cercano posible al terico de la mquina ideal propuesta por Carnot. En 1890, ao en que se traslad a Berln para ocupar un nuevo cargo en la empresa de Von Linde, concibi la idea que en la posterioridad se traducira en el motor que lleva su nombre. El mismo fue el pionero en la historia en utilizar aceite vegetal, ya que en un inicio fue diseado para consumir combustible de cacahuate. Luego este fue reemplazado por el petrleo gracias a su mayor accesibilidad. Con el patrocinio de la Maschinenfabrik Augsburg y de las industrias Krupp, Diesel produjo una serie de modelos, cada vez ms eficientes, que culmin en 1897 con la presentacin de un motor de cuatro tiempos capaz de desarrollar una potencia de 25 caballos de vapor. La eficacia de aqul (el cual posea la ventaja de consumir una menor proporcin de combustible), y su diseo sencillo, produjo un inmediato xito comercial.

Previo 1887 Antes de realizar su primera obra reconocida, sufri muchos intentos frustrados y accidentes. Uno de los motores iniciales de combustin interna, que llevan su famoso apellido, explot durante la prueba. Por otra parte, Diesel dise todo tipo de artilugios; de hecho, fue el primero en crear un motor solar. An as, no obtuvo renombre entre los importantes ingenieros de la poca hasta 1883.

El progreso. En 1912 se construy, para los ferrocarriles del estado de Prusia, la primera locomotora diesel del mundo de gran potencia. A partir de entonces se inicia el constante desarrollo de la traccin diesel, proceso que conllevaba un gran problema con la transmisin de energa, el cual fue solucionado posteriormente al aplicar transmisin de tipo elctrico, propuesta por el profesor sovitico Lomonosoff, y la transmisin mecnica. Esto ha contribuido a una mayor rapidez motriz. Por estos aos, la de tipo hidrulico no era utilizada fuera de los laboratorios.

Las locomotoras diesel, el reemplazo de la mquina de vapor. Despus de la II Guerra Mundial las locomotoras diesel marcaron el final del reinado del vapor. Pero haba un problema: era difcil al principio reemplazar la potencia de las bestias a vapor y se necesitaban varias diesel para cubrir la tarea de una sola a vapor. Entre 1964 y 1965 la EMD (Electro Motive Division, de la General Motors) construy para Unin Pacific y Southern Pacific 45 locomotoras de 5000 HP uniendo dos mquinas en una estructura. Con una carrocera de 30 metros, dos boggies de cuatro ejes, 5 metros de alto y 2 motores de 16 cilindros con 3.300 HP cada uno se anunciaban como los vehculos terrestres ms potentes del mundo.

Introduccin a los motores de combustin internaUn motor de combustin interna es un tipo de mquina que obtiene energa mecnica directamente de la energa qumica producida por un combustible que arde dentro de una cmara de combustin, la parte principal de un motor. Estos no tenan compresin, sino funcionaban en la mezcla de aire y combustible aspirada o soplada adentro durante la primera parte del movimiento del producto. La distincin ms significativa entre los motores de combustin interna modernos y los diseos antiguos es el uso de la compresinSe emplean motores de combustin interna de cuatro tipos:El motor cclico Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automocin y aeronutica.El motor disel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energa elctrica, en sistemas de propulsin naval, en camiones, autobuses y automviles.El motor rotatorio.La turbina de combustin.

Caractersticas de lo motores diesel y especificaciones tcnicas.Los motores diesel son de cuatro tiempos o fases, como ya enunciamos anteriormente, las fases serian: En la primera fase se absorbe aire hacia la cmara de combustin. En la segunda fase, la fase de compresin, el aire se comprime a una fraccin de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 C. Al final de la fase de compresin se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cmara de combustin, producindose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustin empuja el pistn hacia atrs, trasmitiendo la energa al cigeal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsin.La eficiencia de los motores disel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresin de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores disel son, por lo general, ms pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles ms baratos.Los motores disel suelen ser motores lentos con velocidades de cigeal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores disel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gas oil respecto a la gasolina

Ventajas y desventajas.

La principal ventaja de los motores disel comparados con los motores a gasolina estriba en su menor consumo de combustible. Debido a la constante ganancia de mercado de los motores disel en turismos desde los aos 1990 (en mucho pases europeos ya supera la mitad), el precio del combustible tiende a acercarse a la gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado grandes problemas a los tradicionales consumidores de gasleo como transportistas, agricultores o pescadores.En automocin, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio, costos de mantenimiento y prestaciones) se estn reduciendo debido a mejoras como la inyeccin electrnica y el turbocompresor. No obstante, la adopcin de la precmara para los motores de automocin, con la que se consiguen prestaciones semejantes a los motores de gasolina, presentan el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prcticamente desaparece.Actualmente se est utilizando el sistema common-rail en los vehculos automotores pequeos. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del motor, menor ruido (caracterstico de los motores disel) y una menor emisin de gases contaminantes.

Aplicaciones.Maquinaria agrcola (tractores, cosechadoras).Propulsin ferroviaria.Propulsin marina.Automvil y camiones.Grupos generadores de energa elctrica. (centrales elctricas y de emergencia).Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de emergencia).Propulsin area.

Funcionamiento a travs de la termodinmica(Aunque ya lo habremos nombrado, refrescamos la memoria, una cachetada del saber) Resulta til tratar los procesos termodinmicos basndose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original despus de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinmicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energa interna de un sistema no puede cambiar, puesto que slo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.Un motor trmico de eficiencia perfecta realizara un ciclo ideal en el que todo el calor se convertira en trabajo mecnico. El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinmico que constituye el ciclo bsico de todos los motores trmicos, y demuestra que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor trmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinmica impone un lmite superior a la eficiencia de un motor, lmite que siempre es menor del 100%. La eficiencia lmite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

Ciclo diesel.

El gasoil se inyecta durante la carrera ab.ab: contraccin adiabtica.cd: expansin adiabticas.ad: enfriamiento isocrico.bc: expansin y calentamiento isobrica.R: relacin de compresin.Cp: calor especfico a presin constanteCv: calor especfico a volumen constante = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1) = 1 - 1/R( - 1)Para un R = 15-20, y un = 1,4 (aire), = 0,65-0,70www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php#.UINZw29mKPk

Y damos por finalizada nuestra presentacin, con la siguiente foto representativa de los ciclos Diesel.Provenida directamente de la Facultad de Ingeniera. Bibliografa: Motores Diesel y Sistemas de Inyeccin, por Alan Asmusy y Barry Wellington. Automviles con Motores Diesel, por H. Wunder. Mquinas Trmicas, por Stevenazzi.Otras fuentes: Internet.Esperamos que lo haya disfrutado, y lo haya conmovido.