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TERMODINAMICA Y MAQUINAS TÉRMICAS
I-
TERMODINÁMICA
La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la
energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). La termodinámica establece
leyes o principios que definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía.
Los resultados que se obtienen del estudio de la termodinámica son independientes de la estructura
atómica y molecular de la materia.
Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las
primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.
El siguiente gráfico indica los conceptos que son necesarios estudiar y como se relacionan:
Los números se referencian en los títulos.
1) SISTEMAS TERMODINÁMICOS
Un sistema es un conjunto de elementos con relaciones de interacción e interdependencia que le confieren entidad
propia al formar un todo unificado.
Un sistema termodinámico es cualquier región del espacio sobre la que centramos nuestro interés. Para delimitar
esta región la limitamos con una pared (que puede ser real o imaginaria) que la recubre totalmente. La parte del
espacio que no forma parte del sistema se denomina entorno o medio. El sistema y el entorno forman el universo.
La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del
sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para:
1. aislar el sistema de su entorno o para
2. permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.
Es muy importante definir la frontera del sistema como una superficie y no otro sistema, debe quedar claro que el
espesor de una superficie es matemáticamente cero por lo que la frontera no puede contener materia u ocupar
algún lugar en el espacio.
Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por
ejemplo, consideremos una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero. Consideremos un sistema
formado por la taza y el agua, entonces el medio está formado por el mechero, el aire, etc.
Clasificación de los sistemas termodinámicos
Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc.,
seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás. Así todo lo que lo rodea es entonces el
entorno o el medio donde se encuentra el sistema. Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar como:
aislados, cerrados y abiertos
1. El sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno y este es un
modelo imaginario cuya frontera o límite del sistema impide cualquier tipo de intercambio.
2. El sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia, es decir,
aquel cuya frontera admite únicamente el intercambio de energía.
3. El sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno.
Los sistemas termodinámicos a su vez pueden ser:
Homogéneos: las propiedades termodinámicas tiene los mismos valores en todos los puntos del sistema. El
sistema está constituido por una sola fase. (Vaso de agua)

Heterogéneos: las propiedades termodinámicas no son las mismas en todos los puntos del sistema. El
sistema está constituidos por varias fases, separadas entre sí por una "frontera" llamada interfase. (vaso de hielo
con agua).
Cuando el sistema se presenta en fase gaseosa, el sistema es homogéneo, con independencia de el número de
compuestos químicos que lo constituyan (ej. el aire). Una sustancia pura, sólo puede presentar una fase líquida, sin
embargo pude exhibir varias fases sólidas (ej. carbono como diamante, grafito o fureleno). En el caso sistemas
compuestos por más de una sustancia química, la situación es más compleja, ya que los líquidos podrán ser o no
miscibles totalmente en determinadas circunstancias de presión y temperatura, dando por tanto lugar a la distinción
de una o de varias fases. Y lo mismo se puede decir de los sólidos, en general una aleación constituirá una fase,
pero la mezcla de sólidos estará formada por tantas fases como sólidos estén presentes.
2) VARIABLES TERMODINÁMICAS
Estado de un sistema: El estado de un sistema queda definido por el conjunto de valores que adquieren aquellas
propiedades de sistema que pueden variar. Por ejemplo, el estado de un automóvil queda definido (entre otras
variables) por su posición geográfica, velocidad (y dirección), aceleración, potencia que está desarrollando el motor,
cantidad de combustible en el estanque, masa total (incluyendo ocupantes y carga), marcha (cambio) que está
desarrollando, etc., etc.
Para un sistema complejo como el anterior, existirá una gran cantidad de variables de estado. Por otro lado
sistemas simples tendrán mucho menos variables de estado. En termodinámica las variables de estado se
denominan variables termodinámicas.
Las variables termodinámicas son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema
termodinámico. Dependiendo de la naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse
distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de un gas, estas variables son:

Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema
Internacional se expresa respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles (mol).

Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema
Internacional se expresa en metros cúbicos (m 3). Si bien el litro (l) no es una unidad del
Sistema Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a metros cúbicos es: 1 l =
10-3 m3.

Presión (p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la
dirección perpendicular a su superficie. En el Sistema Internacional se expresa en
pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de presión comúnmente utilizada. Su
conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.

Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía
cinética que tienen las moléculas que lo constituyen. Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que
determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el Sistema
Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos
escalas es: T (K) = t (ºC) + 273.
En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un recipiente y las variables termodinámicas que
describen su estado.
Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas están relacionadas mediante una
ecuación denominada ecuación de estado.
Variables extensivas e intensivas: En termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es
proporcional al tamaño del sistema que describe. Esta magnitud puede ser expresada como suma de las
magnitudes de un conjunto de subsistemas que formen el sistema original. Por ejemplo la masa y el volumen son
variables extensivas.
Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la cantidad de materia del sistema. Es
decir, tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas del
mismo. La temperatura y la presión son variables intensivas.
3) ESTADO DE EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
Función de estado: es una propiedad de un sistema termodinámico que depende sólo del estado del sistema, y no
de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. Por ejemplo, la energía interna y la entropía son funciones de
estado.
El calor y el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo de transformación que
experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final.
Las funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema, mientras que las funciones que no son de
estado representan procesos en los que las funciones de estado varían.
En termodinámica, se dice que:
Un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente
algún cambio de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas determinadas condiciones de
contorno, (las condiciones que le imponen sus alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en
equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.

Dos sistemas se dice que están en equilibrio térmico cuando el valor de sus temperaturas es el mismo.

Dos sistemas se dice que están en equilibrio mecánico cuando el valor de sus presiones es el mismo.

Dos sistemas se dice que están en equilibrio difusivo cuando el valor de sus potenciales químicos es el
mismo.
4) ECUACIÓN DE ESTADO
Sustancias simples y puras:

Se dice que una sustancia es simple cuando toda ella está en la misma fase (sólida, líquida o gaseosa) y
además es homogénea en cuanto a constitución física.

Una sustancia es pura si toda ella está constituida por la misma especie de materia.
Por ejemplo el aire es simple pero no es puro. En efecto, el aire es una mezcla de diversos gases
(aproximadamente 78% N2, 21% O2, 0,9% Ar, 0,03% CO2 y trazas de otros gases, además de vapor de agua). Una
mezcla de agua y hielo es pura, pero no simple, pues si bien está toda constituida por la especie H 2O, esta está
presente en dos fases.
Gases ideales:
Si bien existen muchas ecuaciones que pueden describir el comportamiento de sustancias reales, debido a la gran
cantidad de variables esta descripción se hace muy engorrosa, entonces para simplificar los estudios trabajaremos
con la ecuación de estado de gases perfectos o ideales, y luego con tablas y diagramas podemos aproximarnos al
gas real.
El gas perfecto o ideal no existe, y las simplificaciones con respecto a un gas real son:

El gas está compuesto por una cantidad muy grande de moléculas. Estas tienen energía cinética.

No existe fuerzas de atracción entre moléculas. Esto implica que están relativamente distantes unas de
otras.

Los choques entre moléculas, así como las de las moléculas con las paredes del recipiente que las
contiene son perfectamente elásticos.
De las simplificaciones señaladas, la básica es que no hay fuerzas de atracción entre moléculas. Se trata por lo
tanto de una sustancia simple y pura.
En termodinámica, para sistemas simples y puros, solo puede haber 2 variables independientes. Cualquier otra
variable de estado será dependiente. De aquí que su estudio sea más sencillo.
Ecuación de estado de un gas ideal
La relación funcional que liga las variables termodinámicas se llama ecuación de estado.
Es decir: E = f(x1, x2, x3......xn)
La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes empíricas válidas para gases muy
diluidos (o sea un gas que se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta): la ley de Boyle y la ley de
Charles.
La ley de Boyle (1662) da una relación entre la presión de un gas y el volumen que ocupa a temperatura
constante. Dicha ley establece que el producto de la presión por el volumen de un gas a temperatura constante es
constante. Matemáticamente:
con T y n constantes.
La ley de Charles (1787) establece que, a presión constante, el cociente entre el volumen que ocupa un gas y su
temperatura, expresada en kelvin (K), es una constante.
En la siguiente figura se ha representado el volumen que ocupa un gas para distintas temperaturas a presión
constante:
La recta representada en la figura es independiente del gas encerrado en el recipiente, y corta con el eje horizontal
a una temperatura (en oC) aproximadamente igual a - 273 oC. Como se observa en la gráfica, un gas a una
temperatura inferior ocuparía un volumen negativo, por lo que no pueden existir temperaturas inferiores.
Este valor de la temperatura se emplea para definir el cero en la escala absoluta (o Kelvin) de temperaturas
(pinchar el enlace anterior para más información).
Matemáticamente, la ley de Charles se expresa:
con p y n constantes.
Combinando en una sola ecuación la ley de Boyle y la ley de Charles se obtiene:
Para un mol de gas, la constante que aparece en el segundo miembro de la ecuación anterior es la constante
universal de los gases ideales R, por lo que la ecuación de estado de un gas ideal es:
p·v = R·T con R = 8,314 [J/(mol·K)]
Usaremos el sistema internacional de unidades, SI.
Las unidades de presión, p, son los Pascal: Pa = 1 [N/m 2]. En el caso de arriba, el volumen específico, v, queda
expresado en [m3/mol] y la temperatura en Kelvin, [ºK].
La misma ecuación la podemos expresar en forma alternativa como:
p·V = n·R·T con n = número de moles en sistema
En este caso, V es el volumen total del sistema, en [m 3].
También podemos escribir la ecuación de estado de un gas perfecto para un gas en particular como:
p·v = R'·T con R' = Cte. del gas = R/m [J/(kg·K)]
En este caso m es la masa molecular del gas y v el volumen específico en [m 3/kg].
Por ejemplo, en el caso del aire, m= 0,029 [kg/mol] lo que significa que R' = 8,314/0,029 = 287 [J/(kg·K)].
La misma ecuación puede ser escrita como:
p·V = m·R'·T con m= masa total del gas = [kg] y V = volumen en [m3]
5) TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS
Un sistema termodinámico puede describir una serie de transformaciones (trayectoria o camino seguido en el
proceso) que lo lleven desde un cierto estado inicial (en el que el sistema se encuentra a una cierta presión,
volumen y temperatura) a un estado final en que en general las variables termodinámicas tendrán un valor
diferente. Durante ese proceso el sistema intercambiará energía con los alrededores.
Los procesos termodinámicos pueden ser de tres tipos:

Cuasi estático: es un proceso que tiene lugar de forma infinitamente lenta. Generalmente este hecho
implica que el sistema pasa por sucesivos estados de equilibrio, en cuyo caso la transformación es también
reversible.

Reversible: es un proceso que, una vez que ha tenido lugar, puede ser invertido (recorrido en sentido
contrario) sin causar cambios ni en el sistema ni en sus alrededores.

Irreversible: es un proceso que no es reversible. Los estados intermedios de la transformación no son de
equilibrio.
Diagrama p - V
La ecuación de estado de un gas ideal depende de tres variables (p, V, T), pero es posible representarla en dos
dimensiones con ayuda del diagrama de Clapeyron o diagrama p - V. En el eje vertical se representa la presión y en
el horizontal el volumen. Cualquier estado de equilibrio, definido por sus variables (p, V), se representa mediante
un punto en dicho diagrama. La temperatura de dicho estado se obtiene haciendo uso de la ecuación de estado.
En la figura se han representado dos transformaciones en un diagrama p - V. La primera de ellas (A-B, en rojo) es
una transformación isocora (tiene lugar a volumen constante), y la B-C es una transformación isóbara (a
presión constante). Ambas son transformaciones reversibles puesto que, al estar representados en el diagrama
todos los estados intermedios entre el estado inicial y el final, deben ser necesariamente de equilibrio.
Si en la ecuación de estado de un gas ideal se fija el valor de la temperatura (por ejemplo T1), la ecuación resultante
es:
que es la ecuación de una hipérbola. Gráficamente,
Cada valor de la temperatura sustituido en la ecuación de estado da lugar a una hipérbola. Por construcción, todos
los puntos de una misma hipérbola corresponden a estados en que el gas ideal se encuentra a la misma
temperatura, por lo que se denominan transformaciones isotermas. Cuanto mayor es la temperatura, más arriba
en el diagrama de Clapeyron se encontrará su isoterma correspondiente.
6) ENERGÍA
6.1) CALOR: El calor (representado con la letra 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. El calor que absorbe o cede un
sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema.
Temperatura: es una propiedad de estado intensiva relacionada con la energía del sistema debida al movimiento
desordenado de las moléculas que lo constituyen. La temperatura y el calor no es lo mismo, calor es energía
mientras que la temperatura es una medida.
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 Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la
siguiente figura.
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 dicha energía interna de un
sistema a otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en
el Sistema Internacional son los julios (J)
La expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta
sustancia con la variación de temperatura Δt que experimenta es: Q = m c Δt
donde c es el calor específico de la sustancia.
El calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la
temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.de c es el calor específico de
la sustancia.
En general, el calor específico de una sustancia depende de la temperatura. Sin embargo, como esta dependencia
no es muy grande, suele tratarse como una constante. En esta tabla se muestra el calor específico de los distintos
elementos de la tabla periódica y en esta otra el calor específico de diferentes sustancias.
Cuando se trabaja con gases es bastante habitual expresar la cantidad de sustancia en términos del número de
moles n. En este caso, el calor específico se denomina capacidad calorífica molar C. El calor intercambiado viene
entonces dado por:
En el Sistema Internacional, las unidades de la capacidad calorífica molar son J/molK.
Criterio de signos: el calor absorbido por un cuerpo será positivo y el calor cedido negativo.
Capacidad calorífica de un gas ideal
Para un gas ideal se definen dos capacidades caloríficas molares: a volumen constante (CV), y a presión
constante (Cp).

CV: es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un mol de gas ideal
para elevar su temperatura un grado mediante una transformación isocora.

Cp: es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un mol de gas ideal
para elevar su temperatura un grado mediante una transformación isóbara.
El valor de ambas capacidades caloríficas puede determinarse con ayuda de la teoría
cinética de los gases ideales. Los valores respectivos para gases monoatómicos y
diatómicos se encuentran en la siguiente tabla:
donde R es la constante universal de los gases ideales, R = 8.31 J/mol K.
6.2) TRABAJO EN UN SISTEMA TERMODINÁMICO
El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un
desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto:
un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.
Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una posición
inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.
A partir de la definición de presión, se puede expresar F y el vector desplazamiento dl en función de un vector
unitario u, perpendicular a la superficie de la siguiente forma:
El trabajo en un diagrama p-V
Para calcular el trabajo realizado por un gas a partir de la
integral anterior es necesario conocer la función que
relaciona la presión con el volumen, es decir, p(V), y esta
función depende del proceso seguido por el gas.
Si representamos en un diagrama p-V los estados inicial
(A) y final (B), el trabajo es el área encerrada bajo la
curva que representa la transformación experimentada por el gas para ir desde el estado inicial al final. Como se
observa en la figura, el trabajo depende de cómo es dicha transformación.
Cuando un gas experimenta más de una transformación, el trabajo total es la suma del trabajo (con su signo)
realizado por el gas en cada una de ellas.
CICLOS: Un tipo de transformación particularmente interesante es la que se denomina ciclo, en la que el gas,
después de sufrir distintas transformaciones, vuelve a su estado inicial (ver figura inferior). El interés de este tipo de
transformaciones radica en que todas las máquinas térmicas y refrigeradores funcionan cíclicamente.
Cuando un ciclo se recorre en sentido horario (ver parte izquierda de la figura), el trabajo total realizado por el
gas en el ciclo es positivo, ya que el trabajo AB (positivo) es mayor en valor absoluto que el BA (negativo), por lo
que la suma de ambos será positiva.
Por el contrario, si el ciclo se recorre en sentido antihorario el trabajo total es negativo.
Problema de trabajo:
6.3) ENERGÍA INTERNA:
Un sistema termodinámico posee una cierta energía que llamamos energía interna (U), debida a la propia
constitución de la materia (enlaces de la moléculas, interacciones entre ellas, choques térmicos....). Por lo tanto, la
energía total de un sistema es la suma de su energía interna, su energía potencial, su energía cinética, y la debida
al hecho de encontrarse sometido a la acción de cualquier campo. (No obstante consideraremos sistemas sencillos
que no se encuentran sometidos a ningún campo externo, ni siquiera el gravitatorio).
La única forma de hacer variar la energía interna es variando la temperatura. Si la temperatura aumenta, entonces
aumente su energía interna, y viceversa.
Puesto que la energía interna del sistema se debe a su propia naturaleza, a las partículas que lo constituyen y la
interacción entre ellas, la energía interna es una propiedad extensiva del sistema. Sus unidades son unidades de
energía, el Julio.
La energía interna es una función de estado;
y como tal su variación solo depende del estado inicial y
del estado final y no de la trayectoria o camino seguido para realizarlo.
7) PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Cuando entregamos calor a un gas, este calor se divide en dos: parte se usa para expandir el gas o sea para
realizar trabajo W y parte queda encerrado en el gas en forma de calor o sea en energía interna ΔU.
Entonces el primer principio de la termodinámica se expresa como : Q= W + ΔU.
NO OLVIDAR
La energía interna de un sistema sólo depende de la temperatura.
La energía interna de un sistema es una función de estado, pero el calor y el trabajo no lo son.
El calor y el trabajo desarrollados en un proceso son función de la trayectoria que siga el proceso.
Calor y trabajo no son propiedades del sistema, son solo formas de modificar la energía del mismo.
Por definición calor que entra al sistema (calor recibido) es positivo.
Por definición el trabajo que sale del sistema (trabajo que realiza el gas o sea que se expande) es positivo.
Un gas ideal diatómico se encuentra inicialmente a una temperatura T 1 = 300K, una presión p1 = 105 Pa y ocupa un
volumen V1 = 0.4 m3. El gas se expande adiabáticamente hasta ocupar un volumen V 2 = 1.2 m3. Posteriormente se
comprime isotérmicamente hasta que su volumen es otra vez V1 y por último vuelve a su estado inicial mediante
una transformación isocora. Todas las transformaciones son reversibles.
a.
Dibuja el ciclo en un diagrama p-V. Calcula el número de moles del gas y la presión y la temperatura
después de la expansión adiabática.
b.
Calcula la variación de energía interna, el trabajo y el calor en cada transformación.
a)
b)
Aplicación a procesos reversibles: Aplicamos el Primer Principio a los procesos reversibles más importantes,
suponiendo siempre como sustancia de trabajo un gas ideal. Calcularemos en cada caso el calor, el trabajo y la
variación de energía interna. Recordemos que la temperatura se expresa en Kelvin, la presión en Pascales y el
volumen en metros cúbicos. Con estas unidades, la constante de los gases ideales es R = 8.31 J/Kmol.
Las ecuaciones que vamos a aplicar en cada transformación son entonces:
Transformación isoterma: En una transformación isoterma la temperatura del sistema permanece constante; para
ello es necesario que el sistema se encuentre en contacto con un foco térmico que se define como una sustancia
capaz de absorber o ceder calor sin modificar su temperatura.
Supongamos que un gas ideal absorbe calor de un foco térmico que se encuentra a una temperatura To y como
consecuencia, se expande desde un estado inicial A a uno final B.
El proceso es isotermo por mantenerse el gas en contacto con el foco (TA=TB=T0), por lo que, la variación de
energía interna será nula:
Calculamos el trabajo, sustituyendo el valor de la presión en función del volumen y de la temperatura, según la
ecuación de estado del gas ideal:
Integrando, obtenemos la expresión para el trabajo realizado por el gas en una transformación isoterma a T0:
Este trabajo es positivo cuando el gas se expande (VB>VA) y negativo cuando el gas se comprime (VA>VB).
Aplicamos el Primer Principio para calcular el calor intercambiado:
Es decir, todo el calor absorbido se transforma en trabajo, ya que la variación de energía interna es nula.
En el proceso inverso tanto el calor como el trabajo son negativos: el gas sufre una compresión y cede calor al foco.
Transformación isocora: En una transformación isocora el volumen permanece constante.
Imaginemos una cierta cantidad de gas ideal encerrado en un recipiente de paredes fijas, al que se le suministra
calor por lo que el gas aumenta de temperatura y de presión.
El trabajo realizado por el gas es nulo, ya que no hay variación de volumen.
Aplicando el Primer Principio, se deduce que todo el calor intercambiado se invierte en variar la energía interna:
Recordando la expresión para la variación de energía interna de un gas ideal:
Es decir, por tratarse de calor absorbido (Q>0) el gas aumenta de temperatura. En la transformación inversa el gas
se enfría cediendo calor al exterior y disminuyendo su presión.
Transformación isobara: En una transformación isobara la presión del sistema no varía.
Supongamos que un gas ideal absorbe calor y, como consecuencia, se expande desde un estado inicial A a uno
final B, controlando la presión para que esté en equilibrio con el exterior y permanezca constante.
En este caso parte del calor absorbido se transforma en trabajo realizado por el gas y el resto se invierte en
aumentar la energía interna.
Calculamos el trabajo a partir de la definición integrando a lo largo de la transformación, teniendo en cuenta que la
presión no varía:
La variación de energía interna se calcula usando la expresión general para un gas ideal:
Para expresar la relación entre el calor y la variación de temperatura usaremos ahora la capacidad calorífica a
presión constante Cp:
Además, se debe cumplir el Primer Principio, es decir:
Recordando que por ser un gas ideal pV=nRT, el segundo miembro de la ecuación se puede escribir:
Esta ecuación nos permite obtener una relación entre las capacidades caloríficas de un gas a volumen y a presión
constante, conocida como Ley de Mayer:
Transformación adiabática: En una transformación adiabática no se produce intercambio de calor del gas con el
exterior (Q = 0). Se define el coeficiente adiabático de un gas (γ) a partir de las capacidades caloríficas molares
tomando distintos valores según el gas sea monoatómico o diatómico:
El gas se encuentra encerrado mediante un pistón en un recipiente de paredes aislantes y se deja expansionar.
En este caso varían simultáneamente la presión, el volumen y la temperatura, pero no son independientes entre sí.
Se puede demostrar usando el Primer Principio que se cumple:
Haciendo cambios de variable mediante de la ecuación de estado del gas ideal, obtenemos las relaciones entre las
otras variables de estado:
El trabajo realizado por el gas lo calculamos a partir de la definición, expresando la presión en función del
volumen:
Integrando se llega a:
La variación de energía interna se calcula usando la expresión general para un gas ideal:
Aplicando el Primer Principio:
Es decir, en una expansión adiabática, el gas realiza un trabajo a costa de disminuir su energía interna, por lo que
se enfría.
En el proceso inverso, el gas se comprime (W<0) y aumenta la energía interna.
En esta tabla encontrarás un resumen de cómo calcular las magnitudes trabajo, calor y variación de energía interna
para cada transformación.
II- MÁQUINAS TÉRMICAS
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA: El Primer Principio de la Termodinámica establece que en todo
proceso termodinámico la energía se conserva (Q= W + U). Sin embargo, este principio no es suficiente para
determinar si un proceso concreto puede ocurrir o no Las diferencias entre las dos formas de energía, calor y
trabajo, dan luz sobre el Segundo Principio. En un balance de energía, tanto el trabajo como el calor participan
como simples términos aditivos, midiéndose con el mismo tipo de unidades, y aunque esto es válido para el balance
de energía, la experiencia muestra que hay una diferencia de calidad entre el calor y el trabajo, que se puede
observar mediante el siguiente ejemplo: nadie ha visto que una piedra que reposa en el suelo de una habitación se
enfríe espontáneamente y salte hasta una cierta altura, convirtiendo así la energía calorífica en energía potencial;
este proceso no viene prohibido por las leyes del Primer Principio de la Termodinámica de Conservación de la
Energía; el proceso en sí no es imposible, sólo, que la probabilidad de que se produzca es nula.
El trabajo se transforma rápidamente en otras formas de energía, como energía potencial (elevación de un peso),
energía cinética (aceleración de una masa), energía eléctrica (generador eléctrico), rozamiento, (proceso disipativo
que transforma el trabajo en calor), etc., que se pueden realizar con un rendimiento de conversión cercano al 100%;
de hecho, el trabajo se transforma por completo en calor, como lo demostraron los experimentos de Joule, pero el
calor no se transforma íntegramente en trabajo.
Todos los esfuerzos para diseñar un proceso de conversión continua y completa de calor en trabajo o en energía
mecánica o eléctrica, han fallado pese a las mejoras que se han hecho en los aparatos empleados, por lo que el
rendimiento de conversión no suele superar el 40%; estos valores tan bajos conducen a la conclusión de que el
calor es una forma de energía intrínsecamente menos útil y menos valiosa que una cantidad equivalente de trabajo
o de energía mecánica o eléctrica. El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino
motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor
absorbido.
Definiciones del Segundo Principio:
1) Es imposible, mediante un proceso cíclico transformar completamente en trabajo, el calor absorbido por un
sistema: Se sabe que el flujo de calor entre dos cuerpos siempre tiene lugar del cuerpo más caliente al más
frío y nunca al contrario; este hecho tiene tal importancia que su concepto puede servir como una
manifestación aceptable del Segundo Principio de la Termodinámica, como resultado de la restricción
impuesta a la dirección de los procesos reales, por lo que es posible establecer enunciados generales que
describan tal restricción y que, por consiguiente, sirvan para expresar el Segundo Principio.
2) Enunciado de Clausius: Ningún proceso puede consistir únicamente en la transferencia de calor de un
nivel de temperatura dado a otro superior: Nada se opone, desde el punto de vista del Primer Principio, a
que el cuerpo frío ceda energía al caliente, ya que lo único que el Primer Principio exige es que la energía
absorbida por el cuerpo caliente sea igual a la cedida por el cuerpo frío; para subsanar esta anomalía, el
Segundo Principio define un sentido a la transformación, siendo ésta sólo posible en el sentido de máxima
probabilidad, definiendo una función termodinámica de estado con el nombre de entropía que nos va a
proporcionar una idea cuantitativa de estas irreversibilidades.
3) Ninguna máquina puede operar en forma tal que su único efecto (en el sistema y en los alrededores) sea la
conversión completa del calor absorbido por el sistema en trabajo: El Segundo Principio de la
Termodinámica no prohíbe la generación de trabajo a partir del calor, pero limita la fracción de calor que
puede convertirse en trabajo en un proceso cíclico. La conversión parcial de calor en trabajo es la base de
la generación comercial de energía.
Entropía: La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La
entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se
puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la
entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer.
Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar
cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues “preferir” el desorden y el caos. Se puede demostrar
que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de
temperatura más baja a una región de temperatura más alta.
Una forma grosera de expresar este enunciado sería No se puede enfriar algo que está frío calentando algo
caliente, sin realizar trabajo
El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve
la energía y cumplan así el primer principio.
La entropía, el desorden y el grado de organización: Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres
divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y
rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a
las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un
grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban
separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las
rojas, estaban restringidas a un cierto orden.
Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han mezclados unas
con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido
quitadas.
La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden
establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden
alguno dentro de la caja.
La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción;
la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla
a medir al final del proceso que sufrió el sistema.
Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino
lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema S1 y la entropía final del mismo S2. No
tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema.
Entropía, procesos reversibles y procesos irreversibles: Volviendo al ejemplo anterior de la caja con
separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso reversible y qué un proceso no reversible.
Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales.
Teniendo en cuenta nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas revueltas unas con otras, es decir,
sin un orden. Si el proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible, las canicas tendrían que
ordenarse espontáneamente en azules, amarillas y rojas, según el orden de las divisiones. Esto no ocurrirá.
El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado,
el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo
de procesos es importante porque en la naturaleza todos los procesos son irreversibles.
La entropía y la energía “gastada”: En el principio enunciado por Clausius (definición 2), podemos encontrar la
relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una
fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de
chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿Qué
tiene que ver la entropía aquí? La energía que el coche “utilizó” para realizar trabajo y moverse, se “gastó”, es decir,
es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo. Este
es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco profundo
del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es
suficiente.
Máquinas térmicas: Son dispositivos cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia
de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma
cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia
absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo.
Enunciado de Kelvin-Planck: Es el primer enunciado del segundo principio: “Es imposible, mediante un proceso
cíclico transformar completamente en trabajo, el calor
absorbido por un sistema”.
Este enunciado implica que la cantidad de energía que no
ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en
forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina
debe trabajar al menos entre dos focos térmicos. El
esquema más sencillo de funcionamiento es entonces el
siguiente: 1) Absorbe una cantidad de calor Q1 de un foco
caliente a una temperatura T1, 2) Produce una cantidad de
trabajo W, 3) Cede una cantidad de calor Q2 a un foco frío
a una temperatura T2. Como la máquina debe trabajar en
ciclos, la variación de energía interna es nula. Aplicando el Primer Principio el trabajo producido será:
Se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al
trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)
Rendimiento (η): El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor
absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación
impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el
rendimiento siempre será menor que uno:
Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las máquinas
más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.
Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:
Refrigeradores: Un refrigerador es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta
temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de
trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma
cíclica, para que pueda funcionar de forma continua, como sucede con las máquinas térmicas.
Como ya se ha comentado en la introducción el paso
de calor de un cuerpo frio a otro caliente no se produce
de forma espontánea. Se llega así al segundo
enunciado del Segundo Principio:
Enunciado de Clausius: No es posible el paso de
calor de un cuerpo frío a uno caliente sin el consumo de
trabajo. 1) Absorbe una cantidad de calor Q2 de un foco
frío a una temperatura T2, 2) Consume una cantidad de
trabajo W, 3) Cede una cantidad de calor Q1 a un foco
caliente a una temperatura T1.
Como se ha comentado anteriormente, un refrigerador
trabaja en ciclos, por lo que la variación de energía
interna es nula. Teniendo en cuenta el criterio de
signos, el calor cedido al foco caliente será:
En este caso, la potencia es evidentemente una potencia consumida.
Eficiencia (ε): Un refrigerador se optimizará reduciendo el trabajo consumido para la misma cantidad de calor
extraída del foco frío. La eficiencia (ε) de un refrigerador se define entonces como:
La limitación impuesta por el enunciado de Clausius nos indica simplemente que la eficiencia debe ser menor que
infinito, ya que el trabajo debe ser distinto de cero.
Ciclo de Carnot En principio, cualquier ciclo termodinámico se puede utilizar para diseñar una máquina o un
refrigerador, según el sentido en el que se recorra el ciclo. Puesto que, según el enunciado del Segundo Principio
ninguna máquina puede tener rendimiento 100%, es importante
saber cuál es el máximo rendimiento posible entre dos focos
determinados. Como veremos, el ciclo de Carnot proporciona
ese límite superior entre dos focos. Este ciclo es una
idealización ya que está constituido por transformaciones
reversibles: el intercambio de calor de la sustancia de trabajo
con los focos se produce a través de isotermas y las variaciones
de temperatura de forma adiabática, para que no haya pérdidas
de calor. A continuación estudiaremos este ciclo para máquinas
y para refrigeradores, considerando siempre que la sustancia de
trabajo es un gas ideal. En una máquina 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 a la temperatura del foco
caliente T1.
Expansión adiabática (2-3): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T 2.
Compresión isoterma (3-4): el gas cede el calor Q2 al foco frío, sin variar de temperatura.
Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T 1, cerrando el ciclo.
Calculando el trabajo en las transformaciones isotermas:
y dividiendo entre sí las expresiones de las variables de estado en las adiabáticas obtenemos la siguiente relación
para los volúmenes:
El rendimiento para una máquina de Carnot será entonces:
Es decir, sólo depende de las temperaturas de los focos. Este rendimiento es mayor cuanto mayor sea la
diferencia de temperaturas entre los focos y es siempre menor que uno, ya que ni T2 puede ser nula ni T1 infinito.
Clasificación de las máquinas térmicas
Las máquinas de este tipo pueden clasificarse según dos criterios:

El sentido de transferencia de energía
Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:
Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose
energía mecánica en el eje.
Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose
energía mecánica en el eje.

Según el principio de funcionamiento
Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:
Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo 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. En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el
movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es
circular.
Turbomáquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un
rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido
provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se
aporta a volumen constante.
Ciclo de 2 carreras (4T)
El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales 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 isoentrópica

B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva
rápidamente antes de comenzar el tiempo útil

C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo

D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante

A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la
carga)
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 diesel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen
rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.
Motor de cuatro tiempos
1.
Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta,
permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de
forma gaseosa).
2.
Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS,
comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y
enciende la mezcla.
3.
Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión
de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida
en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. Él la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal,
de donde se toma para su utilización.
4.
En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases
producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga)
Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante empleo del
turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento
positivo.
Ciclo de una carrera (2T)-Motor de dos tiempos
1.
(Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse
hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina
por la lumbrera de admisión hacia el cárter de precompresión .(Esto no significa que entre de forma Gaseosa).
Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente el pistón la
comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de transferencia que lo comunica con la cámara
de compresión, con lo que la mezcla fresca precomprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape
(renovación de la carga)
2.
(Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida,
se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y
temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera
de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.
El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico
menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más par
motor en la unidad de tiempo (potencia) para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada
revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes
móviles. En el pasado fueron sumamente populares por sus elevadas prestaciones en las motocicletas hasta una
cierta cilindrada, ya que al aumentar ésta su consumo era excesivo.
Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras,
cortasetos, motosierras, etc.), ya que es más barato y sencillo de construir, y su emisión de contaminantes elevada
es muy baja en valor absoluto.
Eficiencia: La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión,
proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1
hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a
1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de
octanos para evitar la detonación. Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de
octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto
número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del
combustible antes de producirse la chispa en la bujía. El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es
de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diesel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%,
debido precisamente a su mayor relación de compresión.
Proporción de aire y combustible: Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos
estrechos márgenes de variación , se denomina factor lambda y se sitúa alrededor de 14-15 partes de aire en peso
por cada parte de gasolina en peso, estando la mezcla estequiométrica aire/gasolina en 14,7:1
Control del par motor: Se efectúa controlando la cantidad de aire o mezcla carburada que entra al motor,
mediante el acelerador. De esta manera ajusta el conductor el par motor a la carga motor.
La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida
de llenado en el proceso de renovación de la carga energía por la fricción y la refrigeración.
En el ciclo Otto los motores trabajan en un rango de presiones de combustión de 25 a 30 bares, partiendo de una
relación de compresión de 9 a 10, y en los que la relación de aire/combustible (factor lambda), toma valores de 0,9
a 1,1.
Invención del motor de combustión interna: El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse Beau de
Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la
patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de
dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo
de Otto. Otto construyó su motor en 1866 junto con su compatriota Eugen Langen. Se trataba de un motor de gas
que poco después dio origen al motor de combustión interna de cuatro tiempos. Otto desarrolló esta máquina, que
después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en versiones de cuatro y dos tiempos.
Turbinas de gas: Turborreactores
Los turborreactores son, de las turbinas de gas, las más usadas.
Un turborreactor no puede arrancar directamente estando parado. Primero se debe hacer girar el eje mediante un
motor de arranque externo. En el momento del arranque la chispa de una bujía es la que inflama la mezcla airecombustible. Una vez en marcha la turbina, la combustión se mantiene sola, sin necesidad de la bujía.
Admisión: El aire entra por la tobera de entrada.
Compresión: La presión del aire aumenta por la acción de un compresor axial en la que el aire fluye en la dirección
del eje pasando sucesivamente por una serie de alabes fijos y giratorios llamados estatores y rotores
respectivamente, cada par de alabes fijo y móvil representa una etapa. Los álabes tienen una disposición tal que el
aire entra a gran velocidad y a medida que esta velocidad disminuye, aumenta su presión. Los compresores
modernos de flujo axial pueden aumentar la presión 24 veces en 15 etapas.
Combustión: El aire comprimido pasa a una cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible en forma
de vapor y así se produce la combustión.
Para obtener el máximo rendimiento, la temperatura de combustión debería ser la más alta que se pudiera obtener
de la mezcla de aire- combustible. Pero esta temperatura sería muy alta y calentaría la turbina en exceso. Hoy en
día las temperaturas no pueden superar los 1.100 ºC por las limitaciones del material empleado.
Para mantener la temperatura adecuada, se divide el caudal de aire comprimido en dos: una parte interviene en la
combustión, y la otra parte se usa para enfriar la turbina.
Escape: Los gases quemados pasan ahora a circular por una turbina de potencia, que básicamente trabaja de
forma inversa al compresor. Los gases quemados se expanden al ir pasando en forma sucesiva por distintas etapas
de estatores y rotores. Al pasar por cada etapa, los gases se van expandiendo y adquiriendo cada vez mayor
velocidad haciendo mover el eje de la turbina.
La turbina de potencia mueve al compresor, y le da potencia a la bomba de combustible, y demás accesorios.
Los gases quemados luego circulan a gran velocidad por la tobera de salida proporcionando el empuje.
Para obtener el máximo empuje, la tobera debería permitir la expansión de los gases hasta la presión atmosférica
circundante. Pero una tobera así sería muy grande y pesada, por lo cual en la realidad las toberas son más cortas y
entonces el empuje obtenido es algo menor.
Observación: El empuje del turborreactor disminuye cuando aumenta la temperatura del aire que lo rodea. Esto
ocurre porque el aire caliente tiene menor densidad y por lo tanto la masa de aire que entra al reactor es menor. En
la práctica, cuando se requiere el máximo empuje para un despegue y el aire es muy caliente, se inyecta agua a la
entrada del compresor, de tal forma que al evaporarse enfría el aire que ingresa.
Observación: En los aviones militares se añade un postquemador entre la turbina y la tobera de salida. Este
postquemador añade más combustible al chorro de gases que salen de la cámara de combustión generando su
combustión con el oxígeno que no se ha quemado en la cámara, aumentando la velocidad del chorro. Debido a que
la eficiencia del postquemador es baja, su uso está limitado a situaciones donde se requiere una gran aceleración
momentánea.
Turbohélices: Casi toda la potencia la brinda una hélice que es movida por la turbina, y sólo un 10% del empuje se
debe a los gases de escape.
Turboventiladores: Combina un ventilador a la entrada (que es movido por la turbina de potencia) generando un
chorro de aire que circula alrededor de la cámara de combustión. Esto reduce el ruido de la turbina y por eso se usa
mucho en la aviación comercial.
Calderas
1.Clasificación de las calderas según disposición de los fluidos
Las calderas se clasifican en función del paso del fluido portador del calor a través de los tubos de intercambio.
1.1.Calderas acuotubulares: Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por el interior de
tubos durante su calentamiento y los gases de combustión circulan por el exterior de los mismos. Son de aplicación
cuando se requiere una presión de trabajo por encima de los 22 bar. Por su diseño constructivo tienen un bajo
volumen de agua. Las exigencias de la calidad del agua de alimentación a estas calderas tienen que ser superior al
requerido para otro tipo de calderas. Los generadores instantáneos también forman parte de la familia de calderas
acuotubulares.
1.2.Calderas pirotubulares: Son aquellas calderas en las que los gases de la combustión circulan por el interior de
los tubos y el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos. Son de aplicación principalmente
cuando la presión de trabajo es inferior a los 22 bar. Por su diseño, tienen un gran volumen de agua. Dicho volumen
de agua les permite adaptarse mejor a las variaciones de la instalación que las calderas acuotubulares. Las
exigencias de la calidad del agua de alimentación son menores a las requeridas por las calderas acuotubulares.
Las calderas pirotubulares se clasifican en función de la disposición del haz tubular en:
•Calderas horizontales: el haz tubular está dispuesto de la parte delantera a la trasera de la caldera
•Calderas verticales: el haz tubular está dispuesto de la parte inferior a la parte superior de la caldera.
Las calderas pirotubulares se clasifican en función del número de haces tubulares en:
•Calderas de dos (2) pasos de gases. En el diseño de dos pasos de humos se distinguen claramente dos vías de
paso autónomas de circulación de los productos de combustión. Se puede diferenciar una cámara cilíndrica de
combustión denominada hogar, localizada en la parte inferior de la caldera y rodeada por una pared posterior
totalmente refrigerada por agua (cámara húmeda). Los gases de combustión producidos por el quemador en la
parte posterior de la cámara de combustión (hogar) fluyen en sentido inverso a través del hogar volviendo hacia el
núcleo de la llama por la zona exterior de la misma hasta la zona delantera de la caldera para introducirse en los
tubos del segundo paso de humos. Seguidamente, los gases de combustión de la caldera son dirigidos hacia la caja
de gases trasera y evacuados al exterior. Estas calderas se caracterizan por su bajo rendimiento, y por el alto
contenido de sustancias contaminantes en sus gases de combustión.
• Calderas de tres (3)pasos de gases. En el diseño de tres pasos de humos se distinguen claramente tres vías de
paso autónomas de sentido único de circulación de los productos de combustión. Se puede diferenciar una cámara
cilíndrica de combustión denominada hogar (1), localizada en la parte inferior de la caldera y rodeada por una pared
posterior totalmente refrigerada por agua (cámara húmeda). Los gases de combustión producidos por el quemador
en la parte posterior de la cámara de combustión (hogar) fluyen a través de los tubos de humos (2) en el segundo
paso de humos. Seguidamente, los gases de combustión de la caldera cambian de dirección en la parte frontal de
la caldera, pasando a través de los tubos de humos (3) en el tercer paso de humos, hacia el conducto de expulsión
de gases (4), por el que se evacuan al exterior.
Estas calderas se caracterizan por su alto rendimiento, así como por el bajo contenido de sustancias contaminantes
en sus gases de combustión. Estas calderas pueden ser instaladas cumpliendo las exigencias medioambientales
más rigurosas.
2. Clasificación de las calderas por su tecnología: Las calderas o generadores son equipos que, aplicando el calor
de un combustible gaseoso, líquido o sólido mediante quemador especialmente diseñado para cada combustible,
calientan el agua hasta 95 ºC (calderas de agua caliente), por encima de los 100 ºC (calderas de agua
sobrecalentada), calientan agua y producen su cambio de estado de fase líquida a fase gaseosa (calderas de
vapor), o calientan un fluido portador de calor diferente al agua (calderas de fluido térmico).
2.1.Calderas de agua caliente: Las calderas de agua caliente son aquellas en las que el fluido portador de calor es
el agua y tienen una temperatura máxima de servicio inferior a 100 ºC. Este tipo de calderas pueden ser
acuotubulares o pirotubulares.
2.2.Calderas de agua sobrecalentada: Las calderas de agua sobrecalentada son aquellas en las que el fluido
portador de calor es el agua y tienen una temperatura máxima de servicio superior a 110 ºC. Este tipo de calderas
pueden ser acuotubulares o pirotubulares.
2.3.Calderas de fluido térmico: Las calderas de fluido térmico son aquellas en las que el fluido portador de calor es
distinto al agua. Este tipo de calderas pueden ser únicamente acuotubulares. (Generador instantáneo)
2.4.Calderas de vapor: Las calderas de vapor son aquellas en las que el fluido portador de calor es vapor de agua.
Este tipo de calderas pueden ser acuotubulares o pirotubulares.
Selección del tipo de caldera: Los parámetros principales que se han de tener en cuenta a la hora de seleccionar
el tipo de caldera son los siguientes:
•Potencia útil (para las calderas de agua caliente, agua sobrecalentada y fluido térmico) según el requerimiento
térmico de la instalación a la cual van a alimentar.
•Producción de vapor (para las calderas de vapor) según el consumo de vapor necesario en el proceso.
•Presión de trabajo en continuo (para todos los tipos) de acuerdo con la presión necesaria en el consumidor más
alejado del centro de producción.
•Temperatura de trabajo en continuo, según el requerimiento constante de la instalación.
Componentes fundamentales
1.Calderas pirotubulares: Los componentes que forman las calderas pirotubulares son los siguientes:
• Envolvente exterior virola exterior: Este elemento es de forma cilíndrica y es el encargado de contener los fluidos
(agua/vapor) y evitar que estos salgan al exterior, en la misma van montadas las tubuladuras de control y
supervisión, tales como los controles de nivel, los indicadores ópticos de nivel y orificios de inspección del lado de
agua, etc.
• Cámara de combustión u hogar de combustión: La cámara de combustión, de construcción cilíndrica y disposición
horizontal, puede fabricarse en ejecución lisa u ondulada, en función del tamaño de la caldera y de la presión de
trabajo de la misma. Es la encargada de contener la llama del quemador e iniciar el intercambio de energía por
radiación.
• Cámara de inversión de gases (solo en las calderas de tres pasos de gases): Este elemento es el encargado de
reconducir los gases de la combustión
hacia el haz tubular o II (2º) paso de gases, haciendo cambiar de dirección a los mismos. Por regla general, esta
cámara está totalmente refrigerada por agua, y construida de forma cilíndrica y horizontal. En calderas de bajo
rendimiento, uno de los dos fondos no está refrigerado por agua, sino que lo está de una mampostería de cemento
refractario.
• Fondo delantero y trasero exterior: De forma circular, van soldados a la virola exterior y, al igual que ésta, evitan
que los fluidos salgan al exterior. En estas piezas van soldados los tubos de humos del II (2º) y III (3º) paso de
gases, así como puertas de registro e inspección y cajones recolectores de gases.
• Fondo delantero y trasero interior (solo en calderas de tres (3) pasos de gases): De forma circular, van soldados
a la virola de la cámara de inversión. Su misión es la de contener los productos de la combustión. En el fondo
delantero van soldados los tubos de segundo paso de gases y en el fondo trasero van soldados entre éste y el
fondo trasero exterior unos tubos huecos (tubos stay) para dar al conjunto robustez y flexibilidad.
• Haz tubular (de1 o 2 secciones en función de las calderas de 2 o 3 pasos de gases): Son conjuntos formados por
una cantidad variable de tubos, por los cuales circulan los gases de la combustión por su interior. Son los
encargados de la trasmisión por convección.
2.Calderas acuotubulares: Los componentes que forman las calderas acuotubulares son los siguientes:
• Domo o calderín. Es de forma cilíndrica y en su interior se contienen los dos fluidos (agua / vapor). Al ser de
dimensiones reducidas, se le ha de dotar de separadores de gotas para elevar el título de vapor. Al igual que en la
virola exterior de las calderas acuotubulares, en el domo van las tubuladuras de control, supervisión y servicio.
• Cámara de combustión u hogar de combustión. Generalmente en forma de prisma de base rectangular, es la zona
diseñada para que se realice la combustión. Está delimitada en sus seis lados por paredes de membrana que,
excepto en una de ellas, el resto son totalmente estancas al paso de los gases de combustión al exterior. La pared
de membrana que no es totalmente estanca está diseñada para que los gases salgan del hogar e inicien su camino
a través de los diferentes componentes del circuito de gases de la caldera, además de producir el cambio en la
dirección de los gases • Paredes de membrana.
Son las formadas en su totalidad de tubos refrigerados por el agua que circula por su interior. Estos tubos están
unidos entre sí por medio de soldadura de estanqueidad en el lado de gases y, a su vez, colectores distribuidores
de mayor tamaño en el lado de agua.
• Tubos de subida y bajada. Los tubos de subida son los encargados de llevar el fluido más caliente (por diferencia
de temperaturas) de todas las zonas de la caldera al domo. Los tubos de bajada son los encargados de devolver el
fluido que se ha enfriado desde el domo a las zonas de calentamiento.
• Evaporadores o tubos de bandera. Son haces de tubos dispuestos generalmente a contracorriente de los gases
especialmente donde se efectúa el intercambio por convección.
• Economizadores. Son aquellos elementos que se instalan en la salida de gases de las calderas para aumentar su
rendimiento. Formados por tubos lisos o con aletas, por el interior de dichos tubos circula el agua de alimentación a
la caldera y por fuera de los tubos los gases de la combustión a contracorriente.
Dichos gases ceden su energía al agua aumentando su temperatura y siendo necesario menor consumo de energía
para producir un kilogramo de vapor o para producir un kilovatio.
• Recalentadores o sobrecalentadores. Son equipos compuestos por serpentines de tubos instalados en las zonas
de mayor temperatura de la caldera. Exceptuado su instalación en la cámara de combustión, generalmente están
dispuestos justo detrás de la pared de membrana y después de la cámara de combustión. Están destinados a
elevar el título de vapor a “1”, así como la temperatura del vapor saturado que pasa a través de su interior,
produciendo vapor sobrecalentado o vapor recalentado a una temperatura superior a la de saturación.
CENTRALES TÉRMICAS: Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la
combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales
térmicas, o termoeléctricas, es semejante.
El combustible se almacena en depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera,
en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red
de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira
solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas
de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra
vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de
refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al
mar.
Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma
constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la
combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos
precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su
aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA: El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales
térmicas convencionales es
prácticamente el mismo,
independientemente de que utilicen
carbón, fuel -oíl o gas.
Las únicas diferencias sustanciales
consisten en el distinto tratamiento
previo que sufre el combustible
antes de ser inyectado en la caldera
y el diseño de los quemadores de la
misma, que varía según el tipo de
combustible empleado.
El vapor de agua se bombea a alta
presión a través de la caldera, a fin
de obtener el mayor rendimiento
posible. Gracias a esta presión en
los tubos de la caldera, el vapor de
agua puede llegar a alcanzar
temperaturas de hasta 600 ºC.
Este vapor entra a gran presión en la
turbina a través de un sistema de
tuberías. La turbina consta de tres
cuerpos; de alta, media y baja
presión respectivamente. El objetivo
de esta triple disposición es
aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de
agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía
térmica en energía mecánica de rotación. El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al
condensador. Aquí, a muy baja temperatura (40ºC) y presión, el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es
conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor del vapor de agua es absorbido por el
agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento. La energía mecánica de
rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador
asíncrono acoplado a la turbina.
CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES: CLASIFICACIÓN

Centrales Térmicas de Carbón: Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden
quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de
1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor por medio de un
quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente.
Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La pulverización tiene la
ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y difícilmente utilizado de otra forma. En estas
se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay
incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento

Centrales Térmicas de Fuel-Oíl: En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la
fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-oíl presentan como principal inconveniente las
oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los
humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida.
El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de Dióxido de
Carbono (CO2), el principal causante del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.

Centrales Térmicas de Gas Natural: En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta
utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas
temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador.
El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética.
Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros
contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35% .
CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES: CLASIFICACIÓN

Centrales Térmicas de Ciclo Combinado: Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un
ciclo de vapor. Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor y
el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de
recuperación, la turbina de vapor y el condensador. La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un
mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento
normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas
centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año. Uno de los principales
problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión
de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases.

Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado: Consiste en quemar carbón en un lecho de
partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las
mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener
rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido sulfuroso.
Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza
directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco.
La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y el arreglo de
las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas puede ser atmosférico o presurizado.

Centrales Térmicas Gicc (Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado): La gasificación del carbón
es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno
(H2). El carbón es gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia
media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional. Las
ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos
de azufre y otras partículas.
En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de
combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin
completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión, plantas complejas, arranque lento.
CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO: El diseño conceptual incluye la descripción de:
Características del sitio: Topografía y drenaje, Accesos, Geología, Proximidad a bancos de préstamos (obtención
de material combustible), Meteorología. Condiciones climatológicas del sitio
Condiciones generales de diseño: Temperatura del aire anual promedio, Presión barométrica, Nivel base de la
planta, Coeficientes sísmicos: para estructuras, para chimeneas, Resistencia del terreno
Selección del tamaño de unidades: La selección del tamaño involucra un compromiso entre varios factores, sin
embargo se sabe que económicamente la mejor solución es instalar unidades del 5 al 10% de la capacidad de los
sistemas.
Especificaciones del turbogenerador, del generador de vapor, y optimización del sistema de agua de circulación.
Suministro de agua asegurada para el presente y para el fututo.
Ubicación por disponibilidad de combustibles, cerca de las fuentes del mismo, o sea lo que corrientemente se
conoce como Central de Boca de Mina.
Ubicación por otros factores, como proximidad a los centros de carga, a fuentes de agua para refrigeración, o a
sitios de fácil acceso para la maquinaria y equipos pesados. La ubicación del lugar debe ser en un sitio con vías de
acceso muy buenas y al uso de equipos especiales de transporte.
Costos de la propiedad, de construcción, de puesta en función, de mantenimiento.
Impacto- socio económico.
MATERIALES DE CONSTRUCCION: Estos varían de acuerdo al equipo utilizado, los más utilizados son los
siguientes:: Para paredes, pisos y cubierta o techo de tanques, se usan los aceros A283 grado C y D y A285 grado
C. Acero al carbón. Acero inoxidable. Teflón en los compresores de aire. Aleaciones de latón. Vidrio. Hule.
Plásticos. Concreto. Ladrillo Refractario
COGENERACION: Los sistemas de cogeneración reciclan en un proceso secundario la energía perdida en el
proceso primario de generación (como una turbina de gas). La energía restante se emplea en este caso en forma
de vapor directamente en las cercanías de la central (por ejemplo, para calentar edificios), lo que aumenta la
eficiencia global del sistema. En las aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un
proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina
a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor se pueden utilizar en ciclos
(escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades
industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos. La
potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.
COSTOS: Es casi imposible poder indicar, para centrales térmicas de determinada capacidad, un costo promedio
global o por KW instalado. Cada central es un caso específico y debe procederse a establecer los costos de cada
uno de sus componentes de acuerdo con los equipos seleccionados y las condiciones locales específicas. La de
ciclo combinado presenta costos de operación menores a cualquier alternativa. Posee un costo variable no
combustible enmarcado dentro de los más baratos y un costo de combustible considerablemente más barato que
cualquier otra alternativa térmica.
CUADRO COMPARATIVO ENTRE CENTRALES TERMICAS, NUCLEARES E HIDROELECTRICAS
Parámetros
Central térmica
Central nuclear
Central hidroeléctrica
Combustible
Combustibles fósiles: gas,
carbón, fuel- oíl.
energía nuclear: fisión,
fusión
Energías renovables:
hidráulica
Equipos
Calderas, turbinas de vapor y
gas, carbón- gas- fuel oíl,
condensador, generador
reactor nuclear, turbinas
Turbinas, agua,
de vapor, uranio – plutonio, generador
generador
Tiempo instalación
6 meses a 1 año
5 a 10 años
1 a 4 años
Fuente de energía
no renovable
No renovable
Renovable
Costos
150 millones de dólares.
Alrededor de1000 us$/kw
240 millones de dólares
Conveniencia
económica
Menor consumo de divisas,
menor tendencia tecnológica,
mayor factor de empleo.
Mayores costos en
tecnología, menor factor
de empleo remplazando la
mano de obra por
máquinas.
Menor consumo de
divisas, menor tendencia
tecnológica, mayor factor
de empleo.
Producción de energía
eléctrica
El vapor se genera por la
combustión del carbón o de
derivados del petróleo.
El calor se produce por la
fisión nuclear en un
reactor.
Utilizan la fuerza y
velocidad del agua
corriente para hacer girar
las turbinas.
Ventajas
Corto tiempo de construcción
No dependen del clima
Costos de inversión menores
que en la hidroeléctrica lo que
favorece su construcción y
entrada en funcionamiento.
Facilidad de transporte del
combustible orgánico desde el
lugar de su extracción hasta la
central térmica.
Progreso técnico lo que permitió
diseñar grandes unidades
generadoras (grandes módulos)
con mejores rendimientos que
las unidades pequeñas o
medianas.
Uno de los materiales
utilizados para su
desintegración es el
uranio, del cual quedan
grandes reservas. La
tecnología empleada está
muy desarrollada y tiene
gran productividad, ya que
con cantidades mínimas se
obtiene una gran cantidad
de energía. Generan
energía eléctrica limpia ya
que no se produce
emanación de gases de
combustión causantes de
la lluvia ácida.
No contamina: el aire, ni
agua, ya que no se
requiere combustible
alguno.
Costos de mantenimiento
bajos.
Como resultado del
procesamiento del carbón, fueoíl y gas, éstas centrales son
importantes fuentes emisoras de
agentes contaminantes, calor,
ruido y vibraciones.
La peor desventaja es el terrible
impacto ambiental que produce,
ya que emite gases que
provocan tanto el efecto
invernadero como la lluvia ácida.
En el caso del petróleo es
preocupante su vertido al mar
cuando se transporta, ya que
crea las famosas mareas negras.
Uno de los mayores
problemas es la posibilidad
de una fuga radioactiva en
caso de accidente, lo que
provocaría cuantiosos
daños humanos y
materiales.
Otro problema son los
residuos radioactivos que
genera, de difícil y costoso
almacenamiento y que
resultan muy peligrosos a
corto y largo plazo.
También es muy alto el
coste de las instalaciones
y su mantenimiento.
Inundaciones grandes de
tierras fértiles.
Deforestación. Migración
forzada de poblaciones
aledañas.
Mayor tiempo de
construcción en
comparación con las
centrales térmicas.
Capacidad de
generación
Gas natural 9,7 kw-h/ m3
Carbon 2,4 kw- h/ kg
Fuel- oil 2,9 kw- h/ kg
uranio 115 kw- h/ kg
hidráulica 2,57 kw- h/m3
Eficiencia de la
conversión
Gas natural 40%
Carbón 40%
Fuel- oíl 40%
uranio 30%
hidráulica 80%
Desventajas
Kg ó m3 de combustible Gas natural 0,416 m3 /kw –h
uranio8,69x10-3 kg /kw - h hidráulica 0,389m3/kw- h
que se necesitan para
Carbón de 0,336 a 0,85 kg /kw- h
generar 1 kw
Diesel/fuel:0,362 a0,309 kg/kw- h
Impacto ambiental
Los efectos ambientales de una
central térmica provienen del
proceso de combustión, así
como de las emisiones de polvo
y gases contaminantes. En
general los efectos ambientales por ejemplo, emisiones
contaminantes, ocupación de
espacio por la central y volumen
de residuos - aumentan en el
orden siguiente: gas, fuel oíl
ligero, fuel oíl pesado y
combustión de carbón.
Ejercicios resueltos en el desarrollo del apunte
Preguntas para evaluaciones
Los materiales
gran impacto ambiental
radioactivos emiten
No contaminan el
radiación ionizante
ambiente.
penetrante que puede
dañar los tejidos vivos.
El gas radón radioactivo es
un contaminante frecuente
en las minas subterráneas
de uranio.
I- TERMIDÁMICA
¿Qué estudia la termodinámica?
¿Qué es un sistema termodinámico y cuáles son sus elementos? Clasificación.
¿Cuál es la diferencia entre un sistema homogéneo y uno heterogéneo? De ejemplos
¿Qué y cuáles son las variables termodinámicas?
¿Cuál es la diferencia entra una variable extensiva y una intensiva? Dé ejemplos de cada una.
¿Qué condiciones deben cumplir los sistemas para estar en equilibrio termodinámico?
¿Cuáles son sustancias puras y cuales simples? Ejemplificar
¿Por qué se recurre a los gases ideales para el estudio de la termodinámica?
¿En qué dos leyes se basa la ecuación de estado para gases ideales?
Escriba la ecuación de estado para un gas ideal y describa sus términos
¿Qué son las transformaciones termodinámicas?
¿Cómo se representan las transformaciones termodinámicas?
¿Cuáles son las 4 transformaciones termodinámicas? Graficar y explicar
¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?
Definir qué es el trabajo termodinámico.
¿Cómo se grafica el trabajo en un diagrama p-V, cómo está representado y cuáles son sus signos?
¿Qué son los ciclos?
¿Qué es la energía interna de un sistema termodinámico?
¿Cómo es la variación de la Energía interna en un ciclo?
¿Cuál es la expresión del primer principio de la termodinámica y que representa?
II- MÁQUINAS TÉRMICAS
¿Puede suceder que determinado proceso, aunque no esté prohibido por el primer principio de la termodinámica,
no ocurra? Explicar.
Resuma las definiciones del Segundo principio de la termodinámica
¿Qué representa la entropía?
¿Qué son las máquinas térmicas?
Dibujar el diagrama de un ciclo Otto y describir que transformaciones termodinámicas realiza.
Dibujar el diagrama de un ciclo Diesel y describir que transformaciones termodinámicas realiza.
Explicar el funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Explicar el funcionamiento de un motor de 2 tiempos
Explicar el funcionamiento de un turborreactor
¿Para qué se utilizan las calderas?
Describir una central térmica