MQUINAS TRMICAS

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GENERALIDADES.

Las mquinas trmicas constituyen uno de los ms sorprendentes logros de la tecnologa moderna, ya que mediante ellas ha sido posible obtener energa mecnica abundante y barata, para mover toda clase de maquinaria industrial y de transportes, que nos permiten satisfacer cmodamente las complejas necesidades de la vida actual, prcticamente sin esfuerzo fsico de nuestra parte. El formidable desarrollo que ha tenido la industria, la agricultura, las comunicaciones y dems fuentes de satisfactores, no hubiera sido posible sin la imprescindible fuerza motriz aportada por las mquinas trmicas, que da a da se multiplican en tamao y nmero para abastecer una demanda siempre creciente. Hay que aclarar, no obstante, que las mquinas trmicas no son las nicas fuentes de fuerza motriz con que se cuenta en la actualidad.

Existen otras fuentes como las mquinas hidrulicas, las elicas y otras de menor importancia. Sin embargo, las mquinas trmicas aportan alrededor del 75% de toda la energa mecnica consumida en el mundo y tienen la enorme ventaja de ser autnomas, lo que las hace insustituibles en el campo del transporte. Otro hecho asombroso de las mquinas trmicas es que producen fuerza motriz a partir del calor como materia prima. El calor es una fuente de energa primaria, conocida desde los albores de la civilizacin, relacionada siempre con la temperatura y con los notables efectos que produce sobre los cuerpos a los cuales se aplica, particularmente los alimentos. Pero el calor es una forma de energa sutil, inmaterial, que no se acostumbra relacionar con el concepto tangible y material del movimiento y el trabajo producido por la fuerza motriz. De ah el hecho extraordinario de que las mquinas trmicas puedan transformar esa energa sutil e impalpable en algo tan real y perceptible como la energa mecnica. Dada la abundancia de calor que es posible producir en la naturaleza y la relativa facilidad para hacerlo, se comprende la considerable importancia que tienen las mquinas que puedan transformar ese calor en energa mecnica a voluntad, para emplearla en realizar todas las pesadas tareas que la humanidad requiere. Hay que recordar, sin embargo, que esto no fu siempre as: Durante los primeros siglos de la historia, el hombre slo dispuso de su propia fuerza muscular y la de los animales para realizar las tareas cotidianas que les permitieran cubrir sus necesidades elementales de subsistencia. Pero a medida que fu progresando, esas necesidades se fueron multiplicando y hacindose ms complejas, requiriendo cada vez mayores cantidades de energa para realizarlas, hasta que su limitada fuerza muscular dej de ser suficiente para llevar a cabo esa multiplicidad de tareas, cada vez ms grandes y ambiciosas, por lo que adems de la fuerza animal hubo de buscarse otras fuentes de energa entre los innumerables recursos de la naturaleza. As se ingeniaron dispositivos para aprovechar la energa del viento y de las cadas de agua como fuentes inmediatas de fuerza motriz que ayudaron al desarrollo de la industria y el transporte de su poca.

Captulo 1

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Pero estas fuentes de energa slo contribuyeron de manera parcial al abastecimiento energtico ya que, o bien estaban localizadas en lugares especficos, o bien estaban sujetas al capricho de la naturaleza, por lo que no representaban unas fuentes seguras, abundantes y confiables de fuerza motriz disponible a voluntad. Por otro lado, como ya se mencion, el calor conocido y usado desde pocas remotas en procesos de calentamiento de toda ndole, segua siendo una misteriosa energa inaccesible para cualquier otro fin que no fuera procesos de calentamiento. No se apreciaba que pudiera existir relacin alguna entre el calor y la energa mecnica o fuerza motriz, capaz de producir movimiento. Hubo de transcurrir mucho tiempo y un largo y accidentado proceso de desarrollo de las ciencias fsicas, llevado a cabo por numerosos investigadores, hombres tenaces de gran imaginacin, que a fuerza de observar los fenmenos y guiados por su notable intuicin, lograron ir desentraando el misterio de la energa y la naturaleza oculta del calor. La historia de la ciencia en este campo, registra con admiracin los nombres de: Benjamn Thompson (Conde Rumford), Sadi Carnot, Humpry Davy, James P. Joule, Rudolf Clausius y de otros muchos investigadores quienes sentaron las bases y establecieron la teora de la naturaleza mecnica del calor y, en forma ms general el concepto moderno de la energa con sus caractersticas de permanencia y transformabilidad.

Benjamin Thompson

Ellos dejaron claro que la energa no se puede crear ni destruir, pero puede manifestarse en diferentes formas, como luz, calor, trabajo, energa interna, movimiento, etc. y que es susceptible de transformarse de unas formas a otras en proporciones unvocas.

Sadi Carnot

De estos conocimientos debidamente organizados y sistematizados surgi la ciencia de la Termodinmica, que trata todo lo relativo a las transformaciones de la energa, en sus formas de calor y trabajo, as como de las relaciones entre las diferentes propiedades fsicas de las sustancias en las cuales se llevan a cabo dichas transformaciones.

Rudolf Clausius

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Hay que aclarar que las primeras mquinas trmicas surgieron antes de la termodinmica, hace aproximadamente 200 aos y, por razn natural eran toscas, rudimentarias y sin bases tcnica, ms bien surgidas de la prodigiosa intuicin de sus inventores; ms, sin embargo, abrieron el camino para producir energa mecnica a partir del calor, an cuando no se comprenda bien la naturaleza de estos conceptos.

Humpry Davy

Este hecho marc un cambio trascendental en el desarrollo industrial de la sociedad, ya que a partir de ese momento se cont con una fuente segura y confiable de fuerza motriz, a partir del calor como materia prima, el cual era posible obtener fcilmente en grandes cantidades, en cualquier lugar y en el momento deseado. La industria, literalmente hablando, recibi un impulso formidable al aplicar esa fuerza motriz para mover toda la incipiente maquinaria, que hasta entonces haba estado restringida por la falta de energa propulsora. A partir de entonces, la ciencia y la tecnologa han tenido un desarrollo acelerado, que no ha cesado hasta nuestros das. El xito de las primeras mquinas trmicas tambin sirvi para estimular la investigacin en este campo, cuya secuela a su vez, dio por resultado mejores y ms eficientes mquinas, no solo trmicas sino de toda ndole. En la actualidad, las ciencias bsicas en que se fundamenta la Ingeniera Mecnica, permiten una comprensin clara y analtica de los fenmenos energticos que se dan en las mquinas, sus

posibilidades reales y sus limitaciones, lo que hace factibles diseos racionales y eficientes, que han llevado a las mquinas trmicas al importante grado de perfeccionamiento que tienen hoy en da. En conclusin, se puede establecer que los dispositivos para llevar a cabo la transformacin del calor en energa mecnica y viceversa, es a lo que se les llama "Mquinas Trmicas" y son los instrumentos que ms han contribuido el progreso de la humanidad, al aportar la fuerza motriz base indispensable en el desarrollo tecnolgico actual. Las mquinas trmicas, debido a su extraordinario desarrollo, han llegado a ser imprescindibles en casi todos los aspectos de la vida moderna. Prcticamente no hay detalle de la vida actual en que no participen (directa o indirectamente) para facilitar y hacer ms confortable la vida del hombre y permitirle realizar tareas que de otra manera seran imposibles.

James Prescott Joule

Como se mencion anteriormente en el prlogo, los campos principales donde las mquinas trmicas han proporcionado beneficios a la humanidad son: 1. Transportes. 2. Generacin de energa elctrica. 3. Agricultura.

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De ah se comprende la importancia que tiene el estudio de las mquinas trmicas, despus de haber cursado los estudios fundamentales de: Matemticas Fsica Qumica Termodinmica Mecnica Dems ciencias bsicas de la ingeniera. En la obra se presenta una visin panormica de la mayora de las mquinas trmicas que se usan en la actualidad, enfocando: A) Sus principios bsicos de funcionamiento.

B) Ciclos termodinmicos tericos. Metodologa de clculo

C) Disposicin constructiva. D) Caractersticas generales. Ventajas, desventajas

y campos de aplicacin. Por lo tanto, en este documento no se entra en detalles demasiado profundos o especializados que slo lo complicaran innecesariamente, restndole la claridad esencial que corresponde a un tema introductorio. El ms ferviente deseo es que el lenguaje y las representaciones matemticas empleadas, resulten accesibles al estudiante promedio de Ingeniera Mecnica, para que a travs de l puedan vislumbrar el fascinante mundo de las "Mquinas Trmicas" y las inmensas posibilidades de desarrollo que ofrecen al Ingeniero Mecnico.