Ciencias de la Naturaleza 2º ESO

1. SESO DEL IES LAS CUMBRES. GRAZALEMA CIENCIAS DE LA NATURALEZA 2º ESO
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MÁQUINAS TÉRMICAS
1.- MÁQUINAS TÉRMICAS
Es posible la transformación íntegra de trabajo en calor, pero nunca se ha podido encontrar un
procedimiento mediante el cual se convierta por completo una cantidad dada de calor en trabajo.
Las máquinas térmicas transforman la energía térmica, calor, en energía mecánica que puede
ser utilizada para realizar trabajo.
Thomas Newcomen, herrero e inventor inglés (1663 – 1729), en 1712 construyó una
máquina de vapor, compuesta por un cilindro y un pistón en su interior, que fue aplicada con
éxito en el bombeo de agua en las minas.
James Watt, matemático e ingeniero escocés (1736 – 1819), en 1763 inició una serie de
descubrimientos y mejoras que convirtieron la máquina de vapor en una fuente eficaz de
potencia, provocando la primera revolución industrial.
Nicolas Léonard Sadi Carnot, ingeniero francés (1796 – 1832); en 1824, cuando la máquina de
Watt era ya de uso corriente, determina que:
Para que el calor se transforme en energía mecánica, realizando trabajo, es necesario un
desnivel térmico, es decir, un foco caliente y otro frío. El calor, al pasar del primero al segundo,
se puede transformar, en parte, en trabajo.
T Q FOCO CALIENTE
T T '
W
T =temperatura
Q=calor
W =trabajo
T' Q' FOCO FRÍO
MÁQUINA TÉRMICA REAL
Las primeras máquinas térmicas que se construyeron eran de muy bajo rendimiento ya que sólo
una pequeña parte del calor absorbido del foco caliente podía transformarse en trabajo útil. Se
fue mejorando el rendimiento y se albergaba la esperanza de inventar una máquina capaz de
convertir totalmente una determinada cantidad de energía térmica en energía mecánica.
T Q
W
MÁQUINA TÉRMICA IDEAL (imposible)
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2. Rudolf Julius Emanuel Clausius, físico y matemático alemán (1822 – 1888), en 1867 afirma:
La experiencia demuestra la imposibilidad de construir una máquina que funcione de esta
forma.
William Thomson Kelvin – Lord Kelvin, físico y matemático británico (1824 – 1907), junto con
Max Karl Ernst Ludwig Planck, físico alemán (1858 – 1947), enunciaron este principio:
Es imposible que exista una transformación cuyo único resultado final fuese convertir en
trabajo el calor extraído de una fuente.
Cumpliendo con este principio, todas las máquinas térmicas tienen un foco caliente y un foco
frío.
Toda máquina térmica es un sistema que múltiples veces realiza un ciclo cerrado (realiza un
proceso cerrado).
2.- MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
Se puede hacer funcionar una máquina que extraiga calor del foco frío, tomando calor de un
agente externo (compresor o motor) y comunicar la suma de estas energías en forma de calor al
foco caliente. Tales operaciones son útiles de dos formas:
· Enfriar más el foco frío → MÁQUINA FRIGORÍFICA.
· Calentar más el foco caliente → BOMBA DE CALOR.
* Aire acondicionado. Calefacción.
T2 Q2 Ambiente FOCO CALIENTE
T 1T 2
W Compresor
T =temperatura
Q=calor
W =trabajo
T1 Q1 Cámara frigorífica FOCO FRÍO
ESQUEMA DE UN FRIGORÍFICO
3.- MÁQUINA DE VAPOR
El foco caliente es un hogar que calienta el agua contenida en una caldera transformándola en
vapor. El vapor transporta el calor, realizando un trabajo y cediendo parte del calor a un
condensador o al ambiente exterior que funciona como foco frío de la máquina.
El vapor de agua que proviene de la caldera llega por A a una caja de distribución, penetra por
uno de sus conductos y llega por B a un cilindro, empujando el émbolo C que adquiere un
movimiento de ascenso. Si suponemos la parte superior del cilindro D llena de vapor, su
compresión hace que pasando por E, llegue a una cavidad que se comunica con un condensador
(transforma el vapor en agua líquida). Al llegar el émbolo a la parte superior de su recorrido el
distribuidor del vapor (corredera) adquiere, accionado por, una posición tal que comunica E con
la caldera y B con el condensador, produciéndose efectos inversos: al penetrar el vapor por E
baja el émbolo, que hace salir el vapor de la parte inferior del cilindro, por B, hasta el
condensador. Una bomba de alimentación, transporta el agua líquida del condensador o
refrigerante a la caldera volviéndose a repetir el ciclo.
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3. ESQUEMA DE UNA MÁQUINA DE VAPOR
Un sistema biela-manivela transforma el movimiento rectilíneo de G en movimiento de
rotación. Este movimiento de rotación (energía cinética) puede transmitirse, por ejemplo, a las
ruedas de una locomotora y realizar un trabajo que se manifieste en el desplazamiento de la
misma.
BIELA – MANIVELA
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4. 4.- MOTORES DE EXPLOSIÓN
El foco caliente es una mezcla originada en el carburador y formada por aire con finas gotas y
vapor de combustible (gasolina).
Válvula de admisión Bujía
Absorbe la mezcla carburante. Produce una chispa que provoca
el encendido de la mezcla.
Pistón Válvula de escape
Émbolo móvil. Expulsa los gases procedentes
de la combustión.
Biela
CILINDRO
Recinto cerrado donde se produce la explosión de la mezcla aire – carburante.
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE CUATRO TIEMPOS
Estando abierta una válvula A, que comunica el cilindro con el carburador, la mezcla pasa al
cilindro originándose un descenso de su biela (ASPIRACIÓN O ADMISIÓN). Cerrada esta
válvula, el émbolo asciende (COMPRESIÓN) y cuando está al límite de su retroceso una bujía
eléctrica hace saltar la chispa que provoca la combustión de la mezcla (EXPLOSIÓN) y un
nuevo descenso de la biela por efecto de la dilatación de los gases de la combustión
(EXPANSIÓN). Un nuevo ascenso de la biela y la apertura de otra válvula B, que comunica el
cilindro con el exterior (foco frío), provocan la salida de los gases a la atmósfera (ESCAPE).
De los cuatro tiempos descritos el único que funciona como motor es la explosión y expansión;
el movimiento de los demás tiempos del pistón es consecuencia de la inercia de un volante. Se
acoplan varios cilindros al mismo árbol de forma que sus fases vayan en un orden determinado.
5.- MOTORES DIESEL
El aire penetra en el interior de un cilindro (ASPIRACIÓN). Se comprime a varios cientos de
atmósferas (COMPRESIÓN) y como consecuencia se produce una considerable elevación de la
temperatura. Un inyector proyecta, en el seno del aire, el combustible pulverizado (aceites
pesados) que arde (COMBUSTIÓN) provocando la dilatación de los gases y el retroceso del
émbolo (EXPANSIÓN). Finalizada la combustión los gases son expulsados al exterior que
funciona como foco frío (ESCAPE).
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