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Un motor térmicu ye una máquina térmica que tresforma calor en trabayu mecánicu[1] per mediu del aprovechamientu del gradiente de temperatura ente una fonte de calor (focu caliente) y un sumidoriu de calor (focu fríu). El calor tresferir de la fonte al sumidoriu y, mientres esti procesu, daqué del calor convertir en trabayu per mediu del aprovechamientu de les propiedaes d'un fluyíu de trabayu, usualmente un gas o'l vapor d'un líquidu.
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El calor necesario pal funcionamientu d'una máquina térmica vien de la enerxía química lliberada nuna combustión, siendo absorbíu por un fluyíu motor que pon en movimientu una serie de pieces mecániques.
Si la combustión tien llugar fuera del motor, les máquines reciben el nome de máquines de combustión esterna, y si la combustión tien llugar dientro de la máquina, les máquines reciben el nome de máquines de combustión interna. El movimientu producíu pue ser alternativu o rotativu.
El fluyíu motor suel ser el vapor d'agua, el aire o l'amiestu de gases resultantes de la combustión del petroleu o de gases combustibles.[2] Nos motores de combustión interna la combustión realizar nel fluyíu motor, y nos motores de combustión esterna esisten dos fluyíos, onde s'intercambia calor ente dambos. Nes centrales nucleares el calor vien de la enerxía lliberada na fisión nuclear del uraniu o del plutoniu, siendo estrayíu por una sustancia refrigerante que lo dexa a un circuitu secundariu al traviés d'un cambiador de calor.
En 1765 l'escocés James Watt fabricó la primera máquina de vapor eficiente, y significó amás l'empiezu de la Revolución Industrial, nacida de resultes de la sustitución del esfuerciu muscular pol trabayu de les máquines. La máquina de vapor foi un trunfu de la teunoloxía que fizo surdir fábriques na mayoría de países, coles mesmes qu'alzaba'l nivel de bienestar de la sociedá.
Un sieglu más tarde los motores de combustión interna revolucionaron el tresporte terrestre, marítimu y aereu. La ciencia dio llugar al Sistema Internacional d'Unidaes.
La máquina de vapor ye una máquina de combustión esterna qu'aprovecha la fuercia espansivo del vapor d'agua pa mover un émbolu y producir trabayu.
En 1691, el inxenieru militar inglés Thomas Savery foi pioneru n'utilizar la presión del vapor d'agua pa estrayer agua de minas y pozos y mover una rueda hidráulica. De normal la presión del vapor d'agua solía españar calderes y tuberíes, y amás, yera pocu eficaz porque se perdía'l calor del vapor d'agua cada vez que s'esfrecía'l recipiente.
En 1698 Thomas Savery patentó'l so descubrimientu, y el ferreru inglés Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta, que trabayaba a baxes presiones. Amás, cuntaba con un pistón y un cilindru. Cola presión del aire podía mover el pistón.
En 1765 el mecánicu escocés James Watt ameyoró la máquina de Thomas Newcomen, y en 1782 construyó la primer máquina de vapor.
En 1787 el inventor estauxunidense John Fitch construyó un barcu de vapor, anque ésti fracasó financieramente.
En 1807 Robert Fulton botó'l Clermont, el primer barcu de vapor.
En 1814 l'inglés George Stephenson construyó la primera locomotra de vapor.
El procesu d'espansión del vapor d'agua contra l'émbolu ye adiabático pero non reversible, polo que nun ye isoentrópico.
Por que una máquina térmica siguiera'l ciclu de Carnot habría que detener la condensación del vapor primero que se licue por completu y, per mediu d'un compresor, consiguir que la entemez vapor-líquidu algame'l so licuación completa a la temperatura de la caldera.
Como esto resulta imposible, el inxenieru escocés J. M. Rankine propunxo un cambéu del ciclu de Carnot, denomináu ciclu de Rankine.
Nun ciclu de Rankine con sobrecalentamientu, la temperatura medio a la que s'absuerbe'l calor implica un mayor rendimientu. El vapor permanez secu mientres tola espansión adiabática, polo que mengua los peligros a la escomiu.
La potencia d'una máquina de vapor depende de la presión y la cantidá de vapor d'agua almitida pol cilindru na unidá de tiempu. Como la presión varia, considérase un valor permediu llamáu presión media efectiva.
La cantidá de vapor d'agua per unidá de tiempu ye igual al volume del cilindru correspondiente a cada revolución multiplicáu pol númberu de revoluciones n'unidá de tiempu. El volume calcúlase multiplicando la seición del émbolu pol llargor de la carrera.
siendo
la presión media efectiva, * el llargor de la carrera, * la seición del émbolu, * el númberu de revoluciones per unidá de tiempu.
Cuando'l vapor d'agua actúa sobre dambes cares del émbolu, la potencia teórica desenvuelta ye'l doble d'esti valor.
Por causa de esfregadures y otres perdes, realmente la potencia suel ser un 70 o un 90% que la potencia citada.
El tamañu de la máquina de vapor llindar a potencies de 1000 CV, a velocidaes de 213 m/min, a presiones de 14 kp/cm², a temperatures de 315 °C y a rendimientos del 30%.
Les máquines de vapor utilizáronse como órganos motrices de llocomotores, y barcos. Anguaño fueron sustituyíes por motores de combustión.
Na turbina de vapor el vapor d'agua distribuyir por cuatro tubos y actúa direutamente sobre les paletes d'una rueda, faciéndola xirar con una velocidá d'unes 10.000 rpm.
La turbina de vapor escarez de cilindru motor y d'órganos tresformadores del movimientu, polo que'l rendimientu ye mayor.
Anguaño la turbina de vapor emplegar nes centrales llétriques, na propulsión de buques y nes instalaciones soplantes d'altos fornos.
Nun motor térmicu prodúcense una serie de tresformamientos que conducen a un estáu inicial (esto ye, tien un ciclu zarráu). Nel intre d'estos tresformamientos, el motor recibe enerxía térmica en forma de calor y devuelve enerxía mecánica en forma de trabayu.
La eficiencia de dellos motores térmicos propuestos o usaos anguaño bazcuya ente'l 3 % (97 % de calor desperdiciado) pa los sistemes de conversión d'enerxía térmica del océanu, el 25 % pa la mayor parte de los motores d'automóviles, el 35 % pa una planta xeneradora de carbón supercrítico, y el 60 % pa una turbina de gas de ciclu combináu con enfriamientu de vapor. Toos estos procesos llogren la so eficiencia (o la pierden) por cuenta de la depresión de la temperatura al traviés d'ellos. Por casu, los sistemes de conversión d'enerxía térmica del océanu empleguen una diferencia de temperatura ente l'agua sobre la superficie y l'agua nes fondures del océanu, esto ye, una diferencia de seique 25 °C, polo que la eficiencia tien de ser baxa. Les turbinas de ciclu combináu utilicen quemadores de gas natural pa calecer aire hasta cerca de 1530 °C, esto ye, una diferencia d'hasta 1500 °C, polo que la eficiencia puede ser mayor cuando s'añedir el ciclu d'enfriamientu de vapor.
Pa la clasificación de los motores térmicos, amás de los criterios yá mentaos nel casu de máquines de fluyíu, tener en consideración dos aspeutos adicionales:
El fundamentu de los motores de combustión interna ye la realización de la combustión nel interior del cilindru de la máquina, nos que l'axente motor ye'l combustible entemecíu col aire necesario pa la combustión.
Esisten distintos tipos de máquines de combustión interna dependiendo del combustible utilizáu, les condiciones de la combustión y el númberu de carreres qu'efectúa'l pistón nun ciclu. El movimientu puede ser alternativu, que lo realicen los motores d'esplosión y de combustión, o rotativu, que lo realicen les turbinas de d'esplosión y de combustión.
Nes máquines de movimientu alternativu, la combustión ye instantánea, producida por una chispa llétrica, teniendo d'utilizase combustibles gaseosos o líquidos bien volátiles, como por casu la gasolina. Nes máquines de movimientu rotativu realizar d'una forma progresiva y a presión constante, utilizándose como combustibles líquidos menos volátiles, como por casu el gasóil.
Nes máquines de combustión interna, los gases de la combustión son los que circulen pola mesma máquina. Nesti casu, la máquina va ser necesariamente de ciclu abiertu, y el fluyíu motor va ser l'aire (non condensable) emplegáu como comburente na combustión.
Motores de combustión interna |
---|
Rotativu | Turbomáquina | Turbina de gas de ciclu abiertu |----- | Volumétrico | Motor Wankel, Quasiturbina |
Alternativu | Encendíu por compresión | Motor diésel | ||
Encendíu provocáu | Motor d'esplosión (Otto, Miller, d'amiestu probe, de Ciclu Atkinson) | |||
Reacción |
Cohete espacial de propulsante líquidu/sólidu |----- |
Aerorreactor ensin compresor | Estatorreactor Pulsorreactor | |
Aerorreactor con compresor | Turborreactor Turbofán Turbohéliz | |||
El motor d'esplosión d'usu más común ye'l motor de cuatro tiempos, que ta formáu polos siguientes componentes.
Una máquina térmica sigue'l ciclu escurríu en 1862 por Beau de Rochas y usáu per primer vegada en 1877 por Nikolaus Otto, denominando asina al ciclu como ciclu de Otto.
El ciclu de Otto efectuar por un gas perfecto, y consta de dos procesos adiabáticos y dos isocoros, que reciben el nome de tiempos.
El rendimientu del ciclu de Otto vien dau pola espresión:
onde R ye'l grau de compresión de la mezla, y ye'l coeficiente adiabático.
Nos motores de gasolina esiste una llende percima del cual nun puede alzase'l grau de compresión, yá que a temperatures y presiones alzaes el carburante españa antes de saltar la chispa. Dizse que s'algamó'l nivel de autoignición.
Esta [[detonación produz un choque oyible que perxudica al motor y mengua el rendimientu. Añadiendo sustancies antidetonantes o catalizadores consíguese graos de compresión de 8 a 10.
Les razones pol baxu rendimientu son les siguientes:
Les gasolines d'alto poder antidetonante son aquelles nes que predominen los hidrocarburos cícliclos y los hidrocarburos de cadena ramificada, qu'españen con mayor dificultá. Pa comparar les propiedaes antidetonantes utilízase'l índiz o númberu de octano, onde se tomen como hidrocarburos el isooctano y el n-heptano, a los que s'asignen poderes antidetonantes de 100 y 0.
L'índiz o númberu de octano ye'l tantu per cientu en volume de isooctano nun amiestu de isooctano y n-heptano que tenga'l mesmu poder antidetonante que la gasolina.
La gasolina d'aviación tien un númberu de octano cimeru a 100, y consten d'un 20% d'hidrocarburos arumosos.
Pa menguar la detonación y aumentar l'índiz o númberu de octano d'una gasolina, d'antiguo utilizábense antidetonantes, qu'actuaben como catalizadores negativos de les reacciones de combustión de los hidrocarburos. El más completu foi'l tetraetilo de plomu, que s'añedir un 0,1% a la gasolina. Al españar la gasolina quedaben llibres plomu metálicu y óxidu de plomu, qu'estropiaben el motor y contaminaben el aire. Anguaño utilícense gasolines ensin plomu emplegando otru tipu de catalizadores.
Les causes que llinden el rendimientu de les máquines de combustión esterna anicien na imposibilidá d'algamar temperatures elevaes na caldera, por cuenta de la presión que s'algamar; y la dificultá de consiguir un aprovechamientu de la enerxía calorífica del carbón y otru combustible.
Si la combustión ye esterna, el calor de la combustión tresferir al fluyíu al traviés d'una paré, por casu nun intercambiador de calor. Esti tipu de máquines nun esixe un procesu de combustión, como asocede nes instalaciones nucleares, magar ye'l procedimientu avezáu. Yá que el fluyíu motor nun sufre degradación dalguna, estes máquines pueden ser de ciclu zarráu, a lo qu'anguaño se tiende por razones económiques.
Motores de combustión esterna |
---|
Fluyíu condensable |
Turbomáquina | Turbina de vapor ciclu abiertu o zarráu |----- |
Máquina de vapor ciclu abiertu o zarráu |----- |
Fluyíu non condensable |
Turbomáquina | Turbina de gas de ciclu zarráu |----- | Alternativu | Motor Stirling |
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