clase de termodinamica de alumnos de secundaria

1. Trabajo práctico de la
segunda ley de
termodinámica.
Ciclo Diesel
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2. Temario:
• La historia de la termodinámica junto a las
máquinas térmicas.
• La historia de los motores diesel y de Rudolph
Diesel.
• Funcionamiento de los motores diesel y de
combustión interna.

3. La termodinámica (termo/calor y dinámica/fuerza) es
de vital importancia en nuestra vida cotidiana. Es
una rama de la física que estudia los efectos de los
cambios de la temperatura, presión y volumen de
los diferentes sistemas.
El origen sin lugar a dudas fue la curiosidad que
despertó el movimiento producido por la energía
del vapor de agua, estos hallazgos fueron por mera
casualidad o simplemente por experiencias, esos
descubrimientos fueron perfeccionados a través del
tiempo.

4. La primer máquina térmica
de la historia.
La primer máquina
conocida por las crónicas de
la época es de Eolípila de
Heron que usaba la
reacción producida por el
vapor al salir por un orificio
para lograr un movimiento.
Esta máquina es la primera
aplicación del principio que
usan actualmente las
llamadas turbinas de
reacción aunque en dicho
tiempo no fue utilizada
como método de estudio,
sino de juego.
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5. Siguiendo con la historia, llegamos al 1629, Giovanni Branca
diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en
base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que
salía por un caño, aunque no se sabe si fue construida dicha
máquina, pero de ahí el primer intento de construcción de
las que hoy se llaman turbinas de acción.
La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina como
reemplazo de la tracción a sangre, ya antes nombrada,
consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas.
Por ellos la primera aplicación del trabajo mediante la
fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de
fuego de Savery, dicha máquina era un cilindro conectado
mediante una cañería a la fuente de agua que se deseaba
bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba
la lleve de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se
condensaba se producía un vacío que permitía el ascenso del
agua.

6. Máquina de fuego de Savery.
1- El recipiente con agua
hirviendo.
2- El recipiente con agua fría.
3- Válvula de presión.
4- Colector de agua.
5- Tubo hacia el exterior
protegido con una
válvula antirretorno.
6- Espita para rellenar agua
en la caldera.
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7. A esta máquina la siguió la máquina de vapor de
Thomas Newcomen construida en 1712. La
innovación consistió en la utilización del vacío del
cilindro para mover un pistón que a su vez proveía
movimiento a un brazo de palanca que actuaba
sobre una bomba convencional de las llamadas
aspirante-impelente. Esta máquina producía un
movimiento oscilatorio muy bueno para los trabajos
de vaivén. Una idea de el trabajo que producía esta
máquina en un hecho histórico, en una mina de
Francia, en 48 horas pudo desagotarla mientras que
para realizar el mismo proceso meses atrás
requirieron del trabajo de 50 hombres y 20 caballos
al cabo de una semana las 24horas. Luego Joan
Smeaton perfeccionó dicha máquina para vaciar los
diques secos en Rusia encargado por la reina
Catalina II.

8. Máquina de Newcomen.
1- Recipiente con agua.
2- Válvulas.
3- Spray de agua.
4- Cilindro.
5-Tanque condensador de
agua.
6- Pistón.
7- Peso.
8- Balancín.
9- Barra de bombeo.
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9. Watt
James Watt (1736-1819), pionero en la revolución
industrial, se propuso estudiar la magnitud del calor
puesto en juego en el funcionamiento de la
máquina en general, esto permitiría estudiar su
rendimiento. Watt encontró la dificultad de
desconocer los valores de las constantes físicas
involucradas en el proceso, a raíz de ellos debió
realizar un proceso de mediciones para contar con
datos confiables, estas mediciones lo llevaron a
descubrir q la máquina de Newcomen solo usaba
un 33% del vapor consumido para realizar el
trabajo útil.

10. Watt aportó en todo lo que sea lograr un mayor
rendimiento, inventó el prensaestopa que actúa
manteniendo la presión mientras se mueve el vástago del
pistón, introdujo la bomba de vacío para incrementar el
rendimiento en el escape, ensayo un mecanismo que
convirtiera el movimiento alternativo en rotativo, en 1782
patentó la máquina de doble efecto (el vapor empuja en
ambas carreras del pistón), ideó válvulas de movimiento
vertical que permitían mantener la presión de la caldera
mediante la fuerza de un resorte comprimido. Creó el
manómetro para medir la presión del vapor y un indicador
que podía dibujar la evolución presión-volumen del vapor
en el cilindro a lo largo de un ciclo. Con el objetivo de
establecer una unidad adecuada para la medición de la
potencia, realizo la experiencia de el caballo de fuerza que
consistió en que un caballo levantara 76kg hasta una altura
de 1 metro en un segundo, siguiendo con este ritmo durante
cuanto tiempo, dicho valor se usa en la actualidad.

11. La caldera hierve el agua(1),
cuando la presión del vapor es
considerable, la válvula B se
abre dejando pasar el vapor al
cilindro (6), consiguiendo así
desplazar el pistón (5) hacia
arriba debido al aumento de
la presión.
Al subir el pistón, el agua
contenida en el hueco sobrante
del cilindro (6) pasa al tanque
(3), la válvula D, al aumentar
la presión en el tanque (3), se
abre dejando pasar el agua al
cilindro (6).
1-Recipiente con agua.
2-Volante.
3-Tanque condensador de agua.
4-Balancín.
5-Pistón.
6-Cilindro.
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12. • Luego de la máquina de Eolipila de Heron
que era usada sólo como entretenimiento.
• Pasando por la máquina de fuego de Savery.
• Hasta la Máquina de Newcomen.
• Llegando a todos los avances de Watt
implementados a distintas máquinas termicas
como locomotoras, barcos a vapor, camiones
a vapor, etc.
• Llegamos a Carnot, algunos dicen que esta es
la etapa científica de la termodinámica...

13. Sadi Carnot (1796-1832) es el fundador de la termodinámica como
disciplina teórica, escribió su trabajo cumbre a los 23 años. Este
escrito estuvo desconocido durante 25 años hasta que el físico
Lord Kelvin redescubriera la importancia de las propuestas
contenidas en él. Carnot
Llamó la atención de Carnot el hecho de que no existieran teorías
que avalaran la propuestas utilizadas en el diseño de las
máquinas de vapor y que todo ello dependiese de
procedimientos enteramente empíricos. Para resolver la
cuestión propuso que se estudiara todo el procedimiento desde
el punto de vista mas general, sin hacer referencia a un motor,
máquina o fluido en especial.
Las bases de las propuestas de Carnot se pueden resumir haciendo
notar que fue quien desarrolló el concepto de proceso cíclico y
que el trabajo se producía enteramente "dejando caer" calor
desde una fuente de alta temperatura hasta un depósito a
baja temperatura. También introdujo el concepto de máquina
reversible.
El principio de Carnot establece que la máxima cantidad de www.wikipedia.org
trabajo que puede ser producido por una máquina térmica
que trabaja entre una fuente a alta temperatura y un
depósito a temperatura menor, es el trabajo producido por
una máquina reversible que opere entre esas dos
temperaturas. Por ello demostró que ninguna máquina podía
ser mas eficiente que una máquina reversible.

14. • A pesar que estas ideas fueron expresadas
tomando como base la teoría del calórico,
resultaron válidas. Posteriormente Clausius y
Kelvin, fundadores de la termodinámica teórica,
ubicaron el principio de Carnot dentro de una
rigurosa teoría científica estableciendo un nuevo
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concepto, el segundo principio de la
termodinámica.
• Carnot también establece que el rendimiento de
cualquier máquina térmica depende de la
diferencia entre temperatura de la fuente mas
Clausius caliente y la fría. Las altas temperaturas del
Lord Kelvin vapor presuponen muy altas presiones y la
expansión del vapor a bajas temperaturas
producen grandes volúmenes de expansión. Esto
producía una cota en el rendimiento y la
posibilidad de construcción de máquinas de
vapor.
• En esta época todavía tenía vigencia la teoría
del calórico, no obstante ya estaba germinando
la idea de que esa hipótesis no era la adecuada,
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en el marco de las sociedades científicas las
discusiones eran acaloradas.

15. En la actualidad:
Hoy se ha llegado a una interesante perfeccionamiento
de las máquinas térmicas, sobre una teoría basada en
las investigaciones de Clausius, Kelvin y Carnot,
cuyos principios están todavía vigentes, la variedad de
máquinas térmicas va desde las grandes calderas de
las centrales nucleares hasta los motores cohete que
impulsan los satélites artificiales, pasando por el motor
de explosión, las turbinas de gas, las turbinas de
vapor y los motores de retropropulsión. Por otra parte
la termodinámica como ciencia actúa dentro de otras
disciplinas como la química, la física, la biología, etc.

16. Conclusión:
El desarrollo de la termodinámica tiene un origen empírico como muchas de las
partes de la tecnología.
Una de las curiosidades en la aplicación temprana de efectos del vapor en la etapa
que dimos en llamar empírica y que a lo largo de su desarrollo cambiara su
origen en varias hipótesis, flogisto, calórico y finalmente energía.
Con Watt se logra el perfeccionamiento en la tecnología, se comprenden los principios
básicos de la misma y se aíslan las variables que intervienen en el funcionamiento
de la máquina, la introducción de la unidad para medir la potencia conduce al
manejo de criterios de comparación.
Despues de Watt comienza el desarrollo de las máquinas móviles con las realizaciones
de Robert Fulton y George Stephenson.
También es importante marcar como las teorías de Carnot tienen aún validez en su
forma original a pesar de haber estado fundamentadas en una hipótesis errónea,
la del calórico. Carnot introduce tres conceptos fundamentales:
• El concepto de ciclo o máquina cíclica.
• La relación entre la "caída del calor de una fuente caliente a otra mas fría y su
relación con el trabajo.
• El concepto de máquina reversible de rendimiento máximo.
Gracias a Clausius y Kelvin se convierte a la termodinámica en una ciencia
independiente de alto contenido teórico y matemático, lo que logra entender los
fenómenos que se desarrollaban y fundamentar progresos tecnológicos.

17. Historia de Rudolph Diesel.
(Rudolph Christian Karl Diesel; París,
1858-canal de la Mancha, 1913)
Ingeniero alemán. Diesel vivió en
París hasta 1870, fecha en que,
tras el estallido de la guerra
franco-prusiana, su familia fue
deportada a Inglaterra. Desde
Londres fue enviado a
Augsburgo, donde continuó con
su formación académica hasta
ingresar en la Technische
Hochschule de Munich, donde
estudió ingeniería bajo la tutela
de Carl von Linde, inventor de la
nevera. En 1880 se unió a la
empresa que Von Linde poseía en
París.
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18. Era un hombre interesado por las necesidades sociales
de las personas de su época. Muchas veces manifestó
que el nacimiento de su motor fue originado por el
deseo que tenía de que el trabajador independiente
pudiese competir con las grandes industrias del
momento. Se consideraba a sí mismo como un filósofo,
aunque su libro “Solidarity”, donde describe su visión de
la empresa, sólo vendió 200 ejemplares.
Se estima que murió el 29 / 30 de septiembre de 1913, y
una de tantas hipótesis enuncia que falleció ahogado,
pues desapareció del buque que cubría el trayecto de
Amberes a Inglaterra en el que viajaba. Un par de días
después su cuerpo fue encontrado por un bote de la
guardia costera.

19. Motor Diesel. El inicio.
Su primera preocupación, referente a la termodinámica, fue el desarrollo
de un motor de combustión interna cuyo rendimiento energético fuese lo
más cercano posible al teórico de la máquina ideal propuesta por
Carnot. En 1890, año en que se trasladó a Berlín para ocupar un nuevo
cargo en la empresa de Von Linde, concibió la idea que en la
posterioridad se traduciría en el motor que lleva su nombre. El mismo fue
el pionero en la historia en utilizar aceite vegetal, ya que en un inicio fue
diseñado para consumir combustible de cacahuate. Luego este fue
reemplazado por el petróleo gracias a su mayor accesibilidad.
Con el patrocinio de la Maschinenfabrik Augsburg y de las industrias
Krupp, Diesel produjo una serie de modelos, cada vez más eficientes, que
culminó en 1897 con la presentación de un motor de cuatro tiempos
capaz de desarrollar una potencia de 25 caballos de vapor. La eficacia
de aquél (el cual poseía la ventaja de consumir una menor proporción
de combustible), y su diseño sencillo, produjo un inmediato éxito
comercial.

20. Previo 1887…
Antes de realizar su primera obra
reconocida, sufrió muchos intentos frustrados
y accidentes. Uno de los motores iniciales de
combustión interna, que llevan su famoso
apellido, explotó durante la prueba. Por otra
parte, Diesel diseñó todo tipo de artilugios; de
hecho, fue el primero en crear un motor solar.
Aún así, no obtuvo renombre entre los
importantes ingenieros de la época hasta
1883.

21. El progreso.
En 1912 se construyó, para los ferrocarriles del estado
de Prusia, la primera locomotora diesel del mundo
de gran potencia. A partir de entonces se inicia el
constante desarrollo de la tracción diesel, proceso
que conllevaba un gran problema con la
transmisión de energía, el cual fue solucionado
posteriormente al aplicar transmisión de tipo
eléctrico, propuesta por el profesor soviético
Lomonosoff, y la transmisión mecánica. Esto ha
contribuido a una mayor rapidez motriz. Por estos
años, la de tipo hidráulico no era utilizada fuera de
los laboratorios.

22. Las locomotoras diesel, el reemplazo
de la máquina de vapor.
Después de la II Guerra Mundial las locomotoras diesel
marcaron el final del reinado del vapor. Pero había un
problema: era difícil al principio reemplazar la potencia
de las bestias a vapor y se necesitaban varias diesel
para cubrir la tarea de una sola a vapor.
Entre 1964 y 1965 la EMD (Electro Motive Division, de la
General Motors) construyó para Unión Pacific y
Southern Pacific 45 locomotoras de 5000 HP uniendo
dos máquinas en una estructura.
Con una carrocería de 30 metros, dos boggies de cuatro
ejes, 5 metros de alto y 2 motores de 16 cilindros con
3.300 HP cada uno se anunciaban como los vehículos
terrestres más potentes del mundo.

23. Introducción a los motores
de combustión interna
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que
obtiene energía mecánica directamente de la energía química
producida por un combustible que arde dentro de una cámara de
combustión, la parte principal de un motor. Estos no tenían compresión,
sino funcionaban en la mezcla de aire y combustible aspirada o
soplada adentro durante la primera parte del movimiento del
producto. La distinción más
significativa entre los motores de combustión interna modernos y los
diseños antiguos es el uso de la compresión
Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:
El motor cíclico Otto, es el motor convencional de gasolina que se
emplea en automoción y aeronáutica.
El motor diésel, funciona con un principio diferente y suele consumir
gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica,
en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles.
El motor rotatorio.
La turbina de combustión.

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

25. Ventajas y desventajas.
• La principal ventaja de los motores diésel comparados con los motores a gasolina
estriba en su menor consumo de combustible. Debido a la constante ganancia de
mercado de los motores diésel en turismos desde los años 1990 (en mucho países
europeos ya supera la mitad), el precio del combustible tiende a acercarse a la
gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado grandes
problemas a los tradicionales consumidores de gasóleo como transportistas,
agricultores o pescadores.
• En automoción, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio,
costos de mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras
como la inyección electrónica y el turbocompresor. No obstante, la adopción de la
precámara para los motores de automoción, con la que se consiguen prestaciones
semejantes a los motores de gasolina, presentan el inconveniente de incrementar
el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente
desaparece.
• Actualmente se está utilizando el sistema common-rail en los vehículos
automotores pequeños. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue
un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del motor, menor ruido
(característico de los motores diésel) y una menor emisión de gases
contaminantes.

26. Aplicaciones.
• Maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras).
• Propulsión ferroviaria.
• Propulsión marina.
• Automóvil y camiones.
• Grupos generadores de energía eléctrica. (centrales
eléctricas y de emergencia).
• Accionamiento industrial (bombas, compresores,
etc., especialmente de emergencia).
• Propulsión aérea.

27. Funcionamiento a través de la
termodinámica
• (Aunque ya lo habremos nombrado, refrescamos la memoria, una
cachetada del saber) Resulta útil tratar los procesos termodinámicos
basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado
original después de una serie de fases, de manera que todas las variables
termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un
ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar,
puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total
neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado
por el sistema.
• Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que
todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El ciclo de Carnot, es un
ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores
térmicos, y demuestra que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier
motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio
de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un
motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia límite se
alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

28. Ciclo diesel.
• El gasoil se inyecta durante la
carrera ab.
• ab: contracción adiabática.
• cd: expansión adiabáticas.
• ad: enfriamiento isocórico.
• bc: expansión y calentamiento
isobárica.
• R: relación de compresión.
• Cp: calor específico a presión
constante
• Cv: calor específico a volumen
constante
• γ = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1)
• η = 1 - 1/R( γ - 1)
• Para un R = 15-20, y un γ = 1,4 (aire),
η = 0,65-0,70 www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php#.UINZw29mKPk

29. Y damos por finalizada nuestra presentación, con la siguiente
foto representativa de los ciclos Diesel.
Bibliografía:
Motores Diesel y Sistemas de Inyección, por Alan
Asmusy y Barry Wellington.
Automóviles con Motores Diesel, por H. Wunder.
Máquinas Térmicas, por Stevenazzi.
Otras fuentes:
Internet.
Esperamos que lo haya disfrutado, y lo haya
conmovido. 
Provenida directamente de la Facultad de Ingeniería.