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Máquinas Térmicas
¿Qué son las máquinas térmicas?
¿Cómo funcionan?
 Tipos de máquina
 Diagramas termodinámicos
Antonio Vives
Definición
 Se denomina Máquina
térmica a aquel sistema y/o
mecanismo que realiza un ciclo convirtiendo el calor en trabajo.



La Máquina térmica no debe sufrir ninguna variación permanente, después
de su utilización debe quedar como al inicio.
El proceso a partir del cual se produce el trabajo se llama ciclo. El ciclo de una
máquina térmica es siempre un ciclo cerrado.
En general la máquina absorberá o perderá calor durante los diversas etapas
del ciclo de trabajo.
Fundamento de las máquinas térmicas
 1er Principio de la termodinámica
Q=W+ΔU
;
Rendimiento nunca 100%
 2º Principio de la termodinámica:
Es imposible la transferencia de calor de un foco frío a otro caliente
(sin aporte de energía)


Kelvin: No es posible ningún proceso cuyo resultado sea la conversión
completa de calor en trabajo.
Clausius: No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la
transferencia de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.
Diferencia Maquina térmica y máquina
frigorífica
 Maquina térmica
 Máquina frigorífica
Trabajo efectuado
El trabajo realizado por la máquina en un ciclo
será el área del ciclo recorrido.
Si se trata de una máquina térmica ese trabajo
será positivo ya que el área se calculará en el
sentido del ciclo calculando el área de cada
transformación, teniendo en cuenta que cuando
se produce una expansión el trabajos será + y
cuando se produce una compresión el w será -.
Por tanto el trabajo obtenido o realizado por la
máquina no depende solo del estado final e
inicial de la máquina, sino que también depende
del camino recorrido.
Clasificación de las máquinas térmicas

Combustión externa:



Alternativas (Máquina de vapor)
Rotativas (Turbina de gas ciclo cerrado)
Combustión interna:


Alternativas (Motor explosión)
Rotativas (Turbina de gas ciclo abierto)
Ciclo de Carnot
Es un ciclo ideal formado entre 2 isotermas y 2 adiabáticas
•1-2 Expansión isoterma w = RTcLn(V2/V1) como V2>V1 saldrá w= +
•2-3 Expansión adiabática w = -Cv(Tf-Tc) ; como Tc>Tf saldrá w = +
•3-4 Compresión isoterma w = RTcLn(V4/V3) como V3>V4 saldrá w= •4-1Expansión adiabática w = -Cv(Tc-Tf) ; como Tc>Tf saldrá w = -
El trabajo total será la suma de todos los trabajos
El rendimiento será:
Tf
  1
Tc
Ciclo de Carnot
Máquina de vapor
Fue la primera máquina en convertir energía térmica en mecánica.
Su funcionamiento se basa en calentar agua a alta presión para elevar su
temperatura hasta un vapor saturado. Una vez sobrecalentado ese vapor
se deja escapar por un cilindro que convierte la energía en mecánica. Se
vuelve a condensar el agua y esta otra vez preparada para ser enviada
por la bomba al calentador.
Máquina de Vapor
Ciclo máquina de vapor
 Ciclo Rankine





1-2 Se calienta el líquido en la
caldera a P=cte.
2-3 Se cede la energía en la turbina
bajando la temperatura del líquido
3-4 En el condensador se vuelve a
licuar el líquido a P=cte
4-5 se aumenta la presión
introduciendo el líquido en el
precalentador a través de la bomba,
con un pequeño incremento de
temperatura del líquido
5-1 Empieza a aumentar la
temperatura del líquido en el
precalentador antes de ser
introducido en la caldera
Motor alternativo de
combustión interna
Partes del motor de combustión interna
Relación de compresión
 Es la relación entre el volumen total y






el volumen de la cámara de
combustión
Rc = V1/ V2
Vo volumen entre el PMS y PMI
V2 volumen de la cámara de
combustión
V1 Volumen total Vo + V2
Cilindrada = Vo· núm. cilindros
Rendimiento = Rtérmico·Rmecánico
Rendimiento térmico
  1
1
r  1
δ=Coeficiente adiabático de los gases
(normalmente 1,4)
Ciclo de cuatro tiempos
Ciclo de dos tiempos
Ciclos Otto.
 El ciclo idealizado es:




1-2 Compresión adiabática, se
comprime el pistón y el
combustible
2-3 Absorción instantánea de
calor a V=cte, se produce la
explosión.
3-4 Expansión adiabática, se
produce la expansión del pistón,
es cuando se produce trabajo.
4-1 Extracción de instantánea
de calor a V=cte, se produce la
expulsión de gases y se prepara
para la entrada de aire limpio.
Ciclos Diesel
 El ciclo idealizado es:




1-2 Compresión adiabática,
se comprime el pistón y se
prepara la inyección del
combustible
2-3 Absorción calor a P=cte,
se produce la combustión.
3-4 Expansión adiabática, se
produce la expansión del
pistón , es cuando se produce
trabajo.
4-1 Cesión de calor a V=cte,
se produce la expulsión de
gases y se prepara para la
entrada de aire limpio.
Ciclos reales Otto y Diesel .
 El ciclo real de los
diagramas ideales anteriores
es el que podemos ver en la
figura adjunta
Balance energético. Diagrama Sankey
 El rendimiento de los
motores térmicos suele ser
muy bajo.
 Como se puede ver en el
diagrama adjunto
aproximadamente un 25%
de la energía se pierde por
el escape, otro 25% en el
circuito de refrigeración y
otro 25% en la radiación.
 Solo un 25% de la energía
sería aprovechable en este
caso.
Fundamento del motor Turbo
Una Forma de mejorar el rendimiento en este tipo de motores es aprovechar
los gases que salen para comprimir el aire que entra en el motor y así
mejorar el rendimiento del mismo, esto es lo que se conoce con el nombre
de turbo.
Sistemas de refrigeración
 El ciclo idealizado es:




1-2 Expansión, se baja la
presión aumentando el
volumen a través de la válvula
de expansión, por lo que la
temperatura del gas
disminuye.
2-3 Absorción calor a P=cte,
de dentro de la cámara a
través del condensador.
3-4 Compresión del gas que
ya ha absorbido todo el calor
del intercambiador .
4-1 Cesión de calor a P=cte,
dentro del enfriador, donde se
intercambia el calor adquirido
con el del medio.
Bomba de calor
Una aplicación del ciclo de refrigeración es utilizarlo de manera inversa, lo que se conoce como
bomba de calor:
• 1-2 Cogemos el gas del exterior y lo comprimimos y el calor que tiene lo entramos al
condensador
• 2-3 El calor que tenia el gas se intercambia con el foco caliente, ya que al comprimirlo el gas
está más caliente que el foco caliente, que es dentro de la vivienda y pierde ese calor.
• 3-4 Se expande, con lo que pierde temperatura y esta más frío que el foco frío, se va al
evaporador a volver a coger calor del foco frío.
• 4-1 Toma calor del foco frío para volver a entrar al interior a través del compresor.