Download Briseño Ramírez Suleima Proyecto sobre Termodinamica. BREVE

Briseño Ramírez Suleima
Proyecto sobre Termodinamica.
BREVE HISTORIA DE LA TERMODINAMICA
El desarrollo de la termodinámica clásica permite adentrase en la totalidad de los procesos
científicos y de ingeniería y vislumbrar así las fallas humanas tanto como los triunfos debidos al
intelecto.
Con frecuencia la historia de este tema se presenta como una progresión ordenada de
ideas, cada una basada en los fundamentos dejados por los investigadores anteriores. Este
enfoque tiene cierta validez pero, al igual que en las investigaciones actuales, es frecuente que
existan largos periodos en los que la ideas sin valor se mantienen a pesar de que todo indica que
es una falsa propuesta. En otros casos varios investigadores se concretaba estudiar un mismo
tema para desarrollar. En 1889 Samuel P. Langley, un investigador, examino otra parte de la
investigación en un discurso como presidente de la Asociación Estadounidense para el Progreso de
la ciencia:
-Con frecuencia escuchamos (sobre el progreso de la ciencia) que debe marchar como un
ejercito
hacia alguna meta bien definida; pero me parece que este no es el camino de la
ciencia, sino únicamente el trayecto aparente desde un punto retrospectivo del compilador,
quien probablemente desconoce la confusión real, los momentos dispersos y retrógrados de los
individuos que forman el
cuerpo y solo nos muestra aquellas partes de este que a el ,
mirando hacia atrás desde su posición actual, le parecen en dirección correcta.
Creo que esta comparación entre el ejercito y el progreso, que obedece al impulso de
un líder, tiene mas error que verdad y a través de las comparaciones se llega a menos o mas
malas interpretaciones. Prefiero que mejor se piense en una chusma, donde la dirección del
conjunto proviene en cierta forma de sus impulso independientes de sus miembros individuales;
Miembros individuales; no muy diferente a una jauría de perros, que a lo largo de la carrera puede
ocultar su juego; pero donde cada quien sigue su propio camino, por olfato y no por vista, algunos
corriendo hacia delante y otros hacia atrás ; donde el que grita mas fuerte hace que muchos lo
sigan, por igual frecuencia en un camino equivocado que por uno correcto ; donde algunas veces
se reconoce que la jauría entera siguió una pista falsa; por este ejemplo menos dignificante c pero
que al menos tiene el merito de contener un poco de verdad c pido disculpas a los escritores de
libros de texto-
Con esta idea se dedico a escribir un breve viaje histórico a través
de la Termodinámica clásica. El concepto de energía fue introducido en el campo de la mecánica
por Galileo pero a mediados del siglo XVII fue usado por Newton y Christian Huygens como
método para resolver problemas que tenían que ver con cálculos de la altura alcanzada por el
péndulo en su vaivén. Sin embargo, dentro del sentido mas general con que se emplea la energía
en termodinámica, los primeros intentos que se hicieron para cuantificarla se vieron entorpecidos
por la falta de entendimiento sobre el hecho de que la transferencia de calor y el trabajo
simplemente son formas diferentes de transmisión de energía.
Aunque su mayor problema era por la confusión entre los conceptos de
transferencia de calor y temperatura.
Para solucionarlo fue necesario medir la temperatura antes de que se
desarrollaran las ideas sobre transferencia de calor.
La primera forma fue con un termómetro de aire que creo Galileo en 1592 y posteriormente fue
el gran duque de Toscana, Fernando II, quien propuso el termómetro sellado de alcohol seguido
por Newton cuya sugerencia fue un termómetro de aceite y quien
propusiera una escala de temperatura a partir del cero que es el punto
de fusión del hielo hasta un segundo punto fijo a doce grados como el
calor máximo que puede alcanzar el termómetro en contacto con el
cuerpo humano.
Al final fue Gabriel Fahrenheit quien crea el termómetro de mercurio
en vidrio en 1715. Todo esto es la base para las investigaciones posteriores que nos dan a conocer
lo actual.
MAQUINAS TÉRMICAS Y LA TEORÍA DE LA TERMODINÁMICA
Los ingenieros eran capaces de diseñar varios tipos de
maquinas térmicas desde antes del desarrollo de las medidas de la
temperatura y de la existencia de las teorías termodinámicas. En
Inglaterra en 1798 Thomas Savery patenta una bomba operada por vapor de agua, basada en el
principio propuesto por Edward Somerset, Marqués de Worcester. La bomba q creo Savery
empleaba un sistema de válvula controlado a mano, pero esto la hacia que fuera lenta e
ineficiente. Un ferretero llamado Thomas Newcomen (1663-1729) instalo en 1712 la primera
maquina a combustión de carbón en servicio en Inglaterra. Esta consistía en lo siguiente: un lado
del pistón estaba a la presión atmosférica, por lo que ese te dirigía a la presión mas baja del vapor
de agua en condensación en el otro lado; aunque en versiones posteriores, las válvulas eran
operadas por la varilla de la bomba de tal manera que la máquina podía operar sin mucho
esfuerzo.
Fue en 1760 cuando un profesor de medicina y de química llamado Joseph Black (17281799)descubrió las bases de la trasferencia de calor como una ciencia cuantitativa, para esto midió
la capacidad calorífica de varios materiales observo la diferencia entre temperatura y transferencia
de calor; Black los conceptos de calor latente de fusión y de evaporación hasta 1764. Estos
conceptos se convirtieron en la base de la ahora llamada “teoría del calórico”, que consideraba a
la transferencia de calor como la migración de un flujo incoloro desde un cuerpo q tenia una
mayor temperatura hasta un cuerpo que tenia la menor temperatura.
Pero, un fabricante de instrumentos escocés llamado James Wattque trabajaba en el laboratorio
de Black pudo darse cuenta de varias limitaciones de la maquina de Newcomen y fue así como
construyo unas maquinas que usaban vapor de agua en un lado del pistón para dirigirlo al otro
lado donde el vapor de agua se condensaba a una menor presión. Basándose en los resultados de
Black diseño un condensador externo (1765) en lugar de recurrir a la condensación dentro del
ciclando como lo hizo Newcomen; logrando así q la maquina se convirtiera en una maquina
eficiente.
Hacia 1778, Watt y su colaborador Matthew Boulton (1728-1809) competían contra otros varios
fabricantes, para comparar sus maquinas con las otras, Watt introduce el concepto de servicio que
sirve para comparar la eficiencia de sus maquinas y se define como: el número de libras que se
elevan u pie por fanega de carbón empleada. Entre 1781 y 1782, Watt inventa la maquina de
doble efecto; esta maquina movía un volante permitiendo el movimiento continuo de rotación, el
cual no había sido posible con maquinas anteriores y que la potencia se producía solo con la
carrera desendente. También define “el caballo de fuerza” (horsepower) como la rapidez de
trabajo debida a un caballo de molino dándole el valor de 33000libras de fuerza por minuto
ejercidas sobre una distancia de un pie.
Benjamin Thomson (1753-1814) fue un espía norteamericano q apoyo a los británicos y les sirvió
de espía durante la guerra de independencia; por lo tanto, decidió mudarse a Inglaterra con el
titulo de teniente coronel, ahí invento la cafetera de goteo. Tuvo por comisión mejorar el
armamento del príncipe de Baviera y alreali8zar experimentos se dio cuenta de que había una
liberación continua de calor al taladrar un cañón, fue entonces cuando se pregunto como podía
conservarse el fluido calórico cuando evidentemente se te producía en forma continua, entonces
dedujo que la transferencia de calor era “cierta clase de movimiento“.La teoría del calórico fue
aceptada correcta por mas de 50años y gran parte de la interpretación matemática de ella se
incluyo completamente en el enfoque moderno de la termodinámica. Rumford había realizado
antes muy cuidadosos experimentos que mostraban con precisión de una parte en un millón, que
el peso de determinadas cantidades de agua no cambian durante el proceso de congelación; por lo
tanto, si hubiese un fluido calórico, este no debería pesar prácticamente nada.
En los primeros años del siglo XIX, Richard Trevithick (1771-1819) en Inglaterra Oliver Evans (17551819) en los estados unidos fabrican maquinas de vapor de agua que trabajan con un presión
superior a la atmosférica en la caldera, aumentando considerablemente la eficiencia del ciclo.
Trevithick empleo presiones de aproximadamente 15 psig.
El reverendo Robert Stirling (1790-1878) un párroco ingles de la iglesia anglicana, patento en 1816
una maquina térmica practica que empleaba aire como fluido al ciclo ideal que Carnot propondría
tiempo después. La maquina tenia importancia practica porque operaba a presión baja, con esto
eliminaba los problemas de seguridad que se efectuaban por las altas presiones suministradas a
las calderas.
En 1824 el brillante Ingeniero militar Frances, Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832) , presento
una única obra publicada: “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las maquinas
capaces de desarrollar esa potencia”, donde mostraba una forma de lo que ahora se conoce como
segunda ley de la Termodinámica al referirse a la cantidad de trabajo que se puede obtener de
una maquina que emplea la transferencia de calor como su energía impulsora. También propuso
una forma razonada de la primera ley. Los trabajos de Carnot se presentaron en términos de la
teoría del “calórico”, lo que provoco q varios investigadores apoyaran dicha teoría ya que las
predicciones de Carnot eran validas a simple vista y confirmadas por experimentos. Sin embargo el
mismo Carnot comenzaba a cuestionar los fundamentos de su propio trabajo que se basaban en la
teoría del “calórico”, como lo muestran los cambios que realizo alas galeras de su manuscrito y por
algunas otras notas inéditas.
A principios de la década de 1840, James Prescott Joule (1818-1889) y Julius Robert Mayer (18141878) expusieron la idea de que tanto la transferencia de calor como el trabajo mecánico eran
simplemente formas diferentes del mismo fenómeno, aunque lo hicieron cada quien por su parte
lo hicieron simultáneamente, que ahora se reconoce como transferencia de energía. Ninguna de
estas presentaciones de la teoría “mecánica del calor” fue aceptada en ese tiempo.
Las ideas de Joule se basaban en una notable serie de experimentos. En un vaso rotatorio que
contenía agua introdujo la armadura de un dinamo y midió el calor cedido al agua cuando pasaba
corriente por la armadura.. Descubrió que el calentamiento podía incrementarse o decrecer según
la dirección de la rotación . Entonces diseño una serie de experimentos , incluyendo pasar agua a
través de agujeros dentro del pistón , bombear aire dentro de un cilindro y permitir que el aire del
cilindro escape lentamente, los dos últimos sumergidos en el mismo tanque (no se hace trabajo
total ni hay cambio de temperatura, porque la energía cruza las fronteras del sistema).
Posteriormente, Joule realizó algunas medidas, aún más cuidadosas, del cambio de la
temperatura del agua contenida en un recipiente cuando se le agitaba y medía el trabajo que
entregaba el agitador de paletas. Durante su luna de miel en Suiza esperaba encontrar una
cascada lo suficientemente alta como para obtener bastante energía en forma de trabajo y realizar
medidas aún más cuidadosas.
Mientras tanto, Mayer había concebido la teoría mecánica del calor cuando era médico marino en
las Indias Orientales; trataba de publicar resultados similares con base en los datos obtenidos por
Black pero encontró gran dificultad para que se publicara su trabajo en revistas científicas; su
primer manuscrito ni siquiera fue admitido y algunos trabajos posteriores (1842) fueron
ridiculizados. Su desesperación era tan grande que intentó suicidarse saltando por una ventana,
pero sólo se fracturó una pierna. Puesto que ese intento de suicidio se consideró como prueba de
demencia, se le internó en un asilo durante cierto tiempo. Finalmente, en sus últimos años, tuvo
un poco de reconocimiento compartiendo con Joule el instituir la teoría mecánica del calor.
Otro médico que tuvo dificultades para publicar su trabajo fue Hermán Ludwig von Helmholtz
(1821-1894), autodidacto en matemáticas y física, quien en 1847 hizo la primera exposición
analítica clara sobre la energía en forma generalizada, en un escrito publicado en forma privada
que tampoco fue aceptado por las revistas profesionales.
Mientras tanto los trabajos de Carnot fueron complementados y clarificados por Emile Clapeyron
(1799-1864). A fines de la década de 1840, muchos termodinámicos, incluyendo los físicos William
Thomson (1824-1907) (más tarde Lord Kelvin), Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) y el
ingeniero escocés William John Macquorn Rankine (1820-1872), luchaban por conciliar los trabajos
de Carnot, basados en la teoría del calórico, con la confirmación experimental de la teoría
mecánica del calor debida a Joule y Mayer. Puesto que los resultados de Joule se basaban en las
medidas de diferencias de temperatura del orden de 0.01 °F, despertaban gran escepticismo.
En 1848 Kelvin, un profesor de filosofía natural en la Universidad de Glasgow que tenía 24 años de
edad, sugirió una escala absoluta de temperatura, basada en parte en los resultados de Carnot.
Kelvin trabajaba en telegrafía durante el tendido del cable transcontinental del Atlántico, pero
tuvo tiempo para publicar su obra en 1849, donde por primera vez aparecen los términos
termodinámica y energía mecánica. En 1850, finalmente abandonó por completo la teoría del
calórico y, de 1852 a 1862, trabajó con Joule en una serie de experimentos cuyo fin era medir el
cambio de la temperatura de un gas durante una expansión controlada, que se realizaba con el fin
de probar que la suposición de Mayer sobre un cambio de temperatura siempre nulo era falsa;
Joule y Thomson (Kelvin) creían haber encontrado un error en el valor de Mayer para el
equivalente mecánico del calor. (En realidad Mayer sólo tomó como válido el valor de cero para el
aire dentro de las condiciones en que éste puede considerarse un gas ideal, lo cual es verdadero.)
El trabajo experimental dio resultados muy importantes, entre ellos la determinación del llamado
coeficiente de Joule-Thomson para gases reales.
Entre tanto, Clausius se daba cuenta de que existían dos leyes diferentes: la segunda ley, como la
había expuesto Carnot, y la primera ley, formulada por el mismo Clausius mediante una teoría
lógica en 1850. En este trabajo, Clausius define la energía interna U y muestra claramente la
diferencia entre las capacidades térmicas específicas medidas a volumen constante y a presión
constante; también indica que esta formulación concuerda con sus experimentos. A pesar de que
tanto Clausius como Kelvin habían empleado la función Qrev/ T desde hacía varios años, fue
Clausius quien reconoció el valor de la función como una propiedad y lo nombro con la palabra
entropía para describirla, asignándole el símbolo S. Su enunciado de la primera ley es conciso y
sigue siendo válido en general: "Die Energie der Welt ist konstant". (La energía del universo es
constante.)
Rankine, al aplicar la teoría termodinámica a las máquinas térmicas en 1853, definió la eficiencia
termodinámica de una máquina térmica y, en 1854, mostró la utilidad del diagrama P - v en
relación con el trabajo. Fue quien escribió el primer libro de termodinámica en 1859.
En 1862 Alphoñse Beau de Rochas (1815-1893) propuso, en una patente francesa, el ciclo que
emplean las máquinas modernas de combustión interna impulsadas por gasolina, aunque no se
conoce que a consecuencia de esto se haya construido alguna máquina. El ciclo fue incorporado á
una máquina práctica por un joven comerciante de Colonia, Nikolaus August Otto (1832-1891) y su
socio Eugen Langen (1833-1895) en 1876 y se demostró en la Exposición de París de 1878. El
trabajo de Otto primero se aplico a máquinas que empleaban gas de iluminación. A la exitosa
máquina siguieron varios intentos que fueron ridiculizados por ese entonces, pero que
permitieron un avance continuo hasta el triunfo final. Otto no conocía el trabajo de Beau de
Rochas y tuvo que entablar muchas batallas legales para mantener los derechos de producción de
sus máquinas, pero a la postre perdió.
El capitán John Ericsson (1803-1889) fue un ingeniero sueco que realizó una larga y productiva
carrera en los Estados Unidos. Perfeccionó la propulsión por hélice en los barcos en reemplazo de
la rueda de aspas, común en ese tiempo, y construyó el barco Monitor para las fuerzas de la Union
durante la guerra civil, que sirvió de referencia para los barcos con revestimiento de hierro de los
siguientes 50 años.
Ya antes había inventado el intercambiador de calor de tubos y coraza para emplearlo en los
condensadores de las máquinas marinas. Junto a otros investigadores, se interesó en las máquinas
de aire , debido nuevamente a las numerosas explosiones catastróficas de las calderas,
particularmente en barcos donde eran el resultado de la combinación de altas presiones en las
calderas y operación descuidada. En 1850 construyó y demostró una gran máquina de aire caliente
para el barco Ericsson de 2200 toneladas; la máquina fue un éxito técnico pero ocupaba
demasiado espacio con sus cilindros de 14 pies de diámetro con carrera de los pistones de6 pies,
de tal forma que la nave no podía competir económicamente con las máquinas de vapor. El
Ericsson se hundió durante una tormenta antes de que se pudieran realizar las pruebas
concluyentes. Más tarde, Ericsson vendió pequeñas máquinas impulsadas por energía solar y por
combustión del carbón que calentaban aire, esta última con un poco de suerte.
En 1873, George Bailey Brayton (1830-1892), nacido en East Greenwich en Vermont, inventó una
máquina de combustión interna que vendía en 1876, la cual operaba por la inyección de aire
comprimido a través de rejillas calientes en una cámara de combustión; se inyectaba aceite
pesado o algún otro líquido combustible directamente en el aire antes de que éste entrara a la
cámara de combustión. Dado que no se presentaban explosiones súbitas, la combustión tenía
lugar a presión prácticamente constante. En los primeros modelos que operaban con gas como
combustible, la flama pasaba al combustible por atrás de la rejilla haciendo peligrosa la operación.
La máquina de aceite pesado no gozó de un éxito comercial continuo, pero la termodinámica de
esta máquina sirvió de base a las turbinas de gas modernas.
Con frecuencia se menciona a Josiah Willard Gibbs (1839-1903) como el más brillante pero el
menos reconocido de los termodinámicos de los Estados Unidos. Su grado doctoral fue el primero
otorgado en ingeniería en los Estados Unidos (que se supone era en ingeniería mecánica, ya que el
tema se refería a engranajes). Desarrolló el diagrama T-s como un medio de analizar la
transferencia de calor en un sistema termodinámico y proporcionó los métodos para el análisis del
equilibrio termodinámico en su sentido más general. En 1878 publicó un trabajo en el cual definía
la regla de fases que da una base termodinámica al campo de la fisicoquímica. En su última
contribución establece los fundamentos de la termodinámica estadística que, si bien quedan fuera
de la termodinámica clásica, son igualmente importantes. Gottlieb Daimler (1834-1900) fue
superintendente en los trabajos de la máquina de gas de Otto en Deutz, Alemania, y se dio cuenta
de que esta máquina debía operarse con un combustible líquido volátil para que pudiese resultar
práctico en el transporte. En 1879 obtuvo la patente de una máquina de cilindros múltiples
acoplados a un cigüeñal común; entre 1883 y 1884, junto con su brillante ingeniero diseñador
Wilhelm Maybach (1846-1929), fabricó la primera máquina automotriz comercial.
El doctor Rudolph Christian Karl Diesel (1858-1913) nació en Francia pero sus padres lo enviaron a
Alemania siendo niño, donde posteriormente asistió como estudiante de diseño de máquinas a la
Technische Hocnschuie (Escuela Técnica) en Munich. Diseñó grandes máquinas de vapor y
calderas, pero continuó investigando una sustitución a la máquina de vapor que tuviese una
eficiencia mayor que el 6 al 10% que se obtenía por los ciclos de vapor. Desarrolló su ciclo de
operación con base en el uso de carreras de compresión que permitieran alcanzar altas
temperaturas, y el proceso de combustión tenía lugar a temperatura constante mediante el
control del flujo en la inyección del combustible, ya que consideraba que en esta forma se lograba
una aproximación práctica al ciclo de Carnot para máquinas de combustión interna. En 1893,
Diesel hacía la demostración de una modificación de este ciclo, pero en el primer intento la
explosión de la máquina casi causó su fin, así como el de sus experimentos. Continuó
desarrollando este concepto hasta que Analmente, en 1897, probó una máquina en operación
práctica . Problemas de salud, críticas continuas y reveses financieros acosaron a Diesel y, en 1913,
desapareció de un barco que cruzaba el Canal de la Mancha en una serena noche de luna.
Todas las máquinas presentadas hasta este momento eran vaivenes y empleaban un pistón en un
cilindro para impulsar un volante que producía un movimiento circular. Ya en 1791, el inglés John
Barber patentó una máquina con todos los elementos de la turbina de gas contemporánea y otros
diseños más los realizaron varios investigadores hasta que finalmente las turbinas prácticas para
ciclos de vapor fueron inventadas casi simultáneamente por Sir Charles A. Parsons (1854-1931) en
Inglaterra y por Cari G. P. DeLaval (1845-1913) en Suecia hacia la mitad de la década de 1880.
REFRIGERACIÓN Y TERMODINÁMICA
Para hacer un seguimiento de la refrigeración es necesario remontarse hasta mediados del siglo
XVII, cuando el inglés Robert Boyle (1627-1691) observó la disminución de la temperatura de
ebullición del agua al reducir la presión. El doctor William Cullen, un profesor de medicina en la
Universidad de Glasgow, observó en 1755 que un recipiente aislado que contenga agua sufre una
baja de temperatura durante una evaporación. En 1844, Thomas Masters de Londres patentó una
máquina para hacer nieve que empleaba una mezcla de hielo y sal para bajar la temperatura de la
salmuera. Charles E. Monroe de Cambridge, Massachusetts, en 1871 patenta un enfriador de
comida que se basa en la idea de evaporar agua desde el revestimiento poroso de un refrigerador.
Sin embargo, el más notable investigador que empleó el método de refrigeración "natural" fue el
estadunidense Frederic Tudor (1783-1864). Tudor cortó y almacenó hielo natural y, en 1804, hacía
envíos regulares de hielo desde el norte hasta el sur y por los años de 1834 expandió su comercio
hasta las Indias Occidentales, Sudáfrica y, finalmente, Europa.
Sir John Leslie (1766 - 1832), profesor de matemáticas en la Universidad de Edimburgo, se basó en
las observaciones de Boyle y Cullen y empleó ácido sulfúrico para absorber vapor de agua de una
vasija que contenía agua y producir así un vacío en un recipiente cerrado; a su vez, el vacío hacía
que bajara tanto la temperatura de saturación del agua que se podía formar hielo. En 1810 se
fabricaron bloques de hielo de una libra mediante este proceso. Hacia 1881, Franz Windhausen
producía seis bloques de 672 libras por ciclo en una maquinaria a escala comercial en Alemania. El
ácido sulfúrico se regeneraba para volverse a usar después de cada ciclo mediante un
calentamiento con vapor de agua que permitía el drenaje del agua absorbida.
En 1858, Ferdinand P. E. Carré (1824-?) puso a la venta un sistema basado en la observación de
que el amoniaco alcanzaba temperaturas más bajas que el agua cuando hervía a la misma presión.
A principios de la década de 1930, el sistema "Icybail" de Crosley, fundamentado exactamente en
el ciclo de Carré, se vendía ampliamente en las zonas rurales de los Estados Unidos. El refrigerador
de gas operaba con el mismo ciclo en forma continua en lugar de hornadas.
En 1755, M. Hoell observó que el aire comprimido que salía de una línea de aire a presión se
enfriaba al escapar de la línea. En 1828, Trevithick propuso una máquina de refrigeración apoyada
en las observaciones de Hoell y, en 1851, el doctor John Gorrie (1803-1855) obtuvo una patente
norteamericana por la primera máquina que operaba con éxito mediante un ciclo de compresión y
expansión de aire.
Jacob Perkins (1766 -1849), un norteamericano que vivía en Londres, observó que otros fluidos de
trabajo podían operar con mayor eficiencia que el aire, en particular si era posible condensarlos
fácilmente después de la compresión. Construyo la primera maqina practica de compresión de
vapor y fue patentada en 1834. David Boyle de Chicago logro demostrar el empleo del amoniaco
en ella la cual desarrollo entre 1869-1873; en 1873 operaba un a planta que producía 1ton/dia de
hielo Jefferson, Texas. Carl P. G. de Munich empleo un ciclo avanzado con mucho mejor
rendimiento mecanico, que alcanzo su afse experimental en 1873 y su uso comercial en 1875.
Bibliografia:
*wikipedia
*”Principios de termodinámica”