UNIDAD N° 5

Máquinas Térmicas :



  • Se denomina Máquina térmica a aquel sistema y/o mecanismo que realiza un ciclo convirtiendo el calor en trabajo.
  • La Máquina térmica no debe sufrir ninguna variación permanente, después de su utilización debe quedar como al inicio.
  • El proceso a partir del cual se produce el trabajo se llama ciclo. El ciclo de una máquina térmica es siempre un ciclo cerrado.
  • En general la máquina absorberá o perderá calor durante los diversas etapas del ciclo de trabajo. 
Fundamento de las máquinas térmicas
  • 1er Principio de la termodinámica
  • Q=W+ Δ U ; Rendimiento nunca 100%
  • 2º Principio de la termodinámica:
  • Es imposible la transferencia de calor de un foco frío a otro caliente
  • (sin aporte de energía)
    • Kelvin: No es posible ningún proceso cuyo resultado sea la conversión completa de calor en trabajo.
    • Clausius: No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo frío a otro más caliente. 
Clasificación de las máquinas térmicas

  • Combustión externa:
      • Alternativas (Máquina de vapor)
      • Rotativas (Turbina de gas ciclo cerrado)
  • Combustión interna:
      • Alternativas (Motor explosión)
      • Rotativas (Turbina de gas ciclo abierto) 
Máquinas Hidráulicas :


Energía hidráulica: energía que se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Por lo tanto la energía hidráulica es el aprovechamiento de la energía del agua en movimiento .
Hidráulica : es una parte de la física que estudia el aprovechamiento de la energía del agua en movimiento.

Desarrollo de la energía hidroeléctrica
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX.

En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales.
Presa y Dique                 


  1. Estructuras de hierro u hormigón que se construyen con fines múltiples : regulación de caudales , atenuación de crecidas y defensas  La presa es transversal al río; el dique, paralelo al cauce.


  2. Vertedero o aliviadero : lugar por donde salen las aguas sobrantes del embalse.


  3. Embalse : lago artificial formado por la presa.

Principales clases de presas:


  • la presa de embalse


  • la presa niveladora

La presa de embalse, cierra el cauce del río formando un lago artificial o embalse que permite la regulación de los caudales naturales del río.Por ejemplo dique de ULLUM en SAN JUAN .

Para adecuar el escurrimiento del agua modificado por el funcionamiento de una central hidráulica ubicada aguas arriba, se construye una presa llamada presa de compensación.

La presa niveladora, no permite la regulación del caudal del río porque no forma un embalse, sino que asegura un nivel de agua tal que permite su descarga desde la presa, por un canal o por un conducto cerrado hacia el lugar de utilización.




La capacidad del embalse puede ser tal, que se logre una regulación anual, si el volumen de agua retenido es aproximadamente igual al volumen de agua que anualmente transporta el río, o plurianual, si el volumen de agua que es capaz de acumular es superior al volumen de agua que anualmente transporta el río.

Las finalidades de la presa de embalse son :


  • la provisión de agua para usos domésticos y sanitarios


  • el riego 


  • la navegación 


  • la obtención de energía eléctrica


  • la recreación 


  • la atenuación de crecidas  

  • el uso industrial 
Central Térmica :

Conversión de energía térmica en energía eléctrica:
central térmica clásica (carbón o petróleo)

Las diferencias en el funcionamiento de una central térmica clásica dependen principalmente del tipo de combustible empleado.

En el caso de utilizar carbón, este material se tritura en molinos hasta que queda convertido en un polvo muy fino, lo que facilita su combustión. En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las centrales de gas también tienen quemadores especiales para este tipo de combustible.

El generador de calor consiste en una red de millares de tuberías que tapizan las paredes de la cámara de combustión. De esta forma, la superficie de intercambio de calor es tan grande, que el agua se vaporiza a alta temperatura y penetra con gran presión en la turbina. El vapor es cuidadosamente deshumificado, esto es, "limpiado" de las gotas de agua en suspensión que pudiera contener. En caso contrario, las gotas de agua chocarían con las paletas de la turbina con la fuerza de un proyectil, dañándolas.

La turbina se compone de varios cuerpos, unidos al mismo eje. El más próximo a la salida de vapor a presión tiene paletas muy pequeñas, para aprovechar con pleno rendimiento el vapor a máxima presión. El cuerpo de la turbina más alejado tiene paletas más grandes, que le permiten aprovechar la energía del vapor con una presión disminuida.

El eje de la turbina está unido a un generador, que envía la corriente eléctrica a la red a través de un transformador. El vapor a baja presión, incapaz ya de mover las paletas de la turbina, es enviado al condensador, donde se convierte de nuevo en agua líquida.
La Energía Nuclear :
La energía nuclear es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines como, por ejemplo, la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones nucleares, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos.[1] Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano.
Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del uranio-235 (235U), con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la naturaleza, en el interior de las estrellas, la fusión del par deuterio-tritio (2H-3H). Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos de varios elementos químicos, como el torio-232, el plutonio-239, el estroncio-90 o el polonio-210 (232Th, 239Pu, 90Sr, 210Po; respectivamente).
Existen varias disciplinas y técnicas que usan de base la energía nuclear y van desde la generación de electricidad en las centrales nucleares hasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina nuclear usada en los hospitales, etc.
Los dos sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, energía mecánica o energía térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.
Otra técnica, empleada principalmente en pilas de mucha duración para sistemas que requieren poco consumo eléctrico, es la utilización de generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR, o RTG en inglés), en los que se aprovechan los distintos modos de desintegración para generar electricidad en sistemas de termopares a partir del calor transferido por una fuente radiactiva.
La energía desprendida en esos procesos nucleares suele aparecer en forma de partículas subatómicas en movimiento. Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta energía térmica se transforma en energía mecánica utilizando motores de combustión externa, como las turbinas de vapor. Dicha energía mecánica puede ser empleada en el transporte, como por ejemplo en los buques nucleares; o para la generación de energía eléctrica en centrales nucleares.
La principal característica de este tipo de energía es la alta calidad de la energía que puede producirse por unidad de masa de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el ser humano, pero sorprende la poca eficiencia del proceso, ya que se desaprovecha entre un 86 y 92% de la energía que se libera.[2

Fusión Nuclear :

La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas humanas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta este día.
En física nuclear y química nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
Antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dos núcleos se repelen entre sí debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.
Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un diámetro de cerca de cuatro nucleones.
La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado de la distancia, así que un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto, aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.

Fusión Nuclear :


El Sol es una estrella de mediano tamaño que alimenta la vida en el sistema solar gracias a las reacciones nucleares que se producen constantemente en su interior. Una reacción nuclear de fusión consiste en la unión de dos átomos para formar otro más pesado y produciendo energía, como consecuencia de la diferencia de masa de los átomos iniciales y del resultante. Otro ejemplo es la bomba de hidrógeno, en la que se produce una reacción nuclear de fusión, mediante la activación con una reacción de fisión nuclear.
La reacción de fusión con menor umbral de energía, es decir, mínimo aporte energético necesario para accionar la reacción (similar a la chispa de un mechero) al vencer la repulsión coulombiana, es la que produce entre dos isótopos (mismo número de protones y distinto de neutrones en el núcleo) del hidrógeno: el deuterio y el tritio. Esta energía de 10 keV se obtienen mediante un intenso calentamiento (igual que en las estrellas, donde se alcanzan temperaturas de 10e8 K), que implica un movimiento de los átomos igual de elevado.
Además de esa velocidad, la probabilidad de que suceda debe ser elevada, para que la reacción suceda, por lo que deben haber suficientes átomos con esa energía, y durante un tiempo mínimo, todo ello relacionado según el criterio de Lawson. La energía liberada por gramo con esta reacción es casi 1.000 veces mayor que la lograda en la fisión de 1 gramo de uranio natural (unas 7 veces superior si fuera un gramo de 235U puro).

La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=mc2 , aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.
No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de lo productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir el la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV.
Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción.
 
Tecnología
Esta reacción que se ha descrito antes es la más fácil de conseguir, pero no quiere decir que sea sencillo lograr energía de las reacciones de fusión. Para ello se deben unir los núcleos de dos átomos, el problema radica en que los núcleos de los átomos están cargados positivamente, con lo que al acercarse cada vez se repelen con más fuerza. Una posible solución sería acelerarlos en un acelerador de partículas y hacerlos chocar entre sí pero se gastaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las reacciones.
Para solucionar este problema se comprimen esferas de combustible mediante haces de láseres o de partículas teniendo así la llamada fusión por confinamiento inercial en la que se obtienen densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos entre ellos, y por efecto túnel se fusionan dando energía.
La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía es calentando el combustible hasta temperaturas de millones de grados de manera que los choques entre núcleos sean por agitación térmica, aquí también se aprovecha el efecto túnel. Como al estar a tan alta temperatura el combustible se disocia en partículas con cargas positivas y negativas, éste se puede controlar mediante campos magnéticos, ésta es la fusión por confinamiento magnético.
 
Ventajas de la fusión
La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial, en el próximo siglo. Cuenta con grandes ventajas respecto a otros tipos de recursos:
bulletLos combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contiene hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de energía).
bulletSistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la "lluvia ácida" o el "efecto invernadero".
bulletLa radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor durante centenares y millares de años.
  La fisión nuclear consiste en romper un átomo pesado produciendo dos o mas átomos mas ligeros, mientras que la fusión es el proceso inverso; aquí fundimos varios átomos ligeros formando un átomo mas pesado. Las centrales nucleares actuales son de fisión y su funcionamiento se basa en romper los átomos de uranio 235 produciendo estroncio y xenón. (cada átomo de uranio 235 se rompe produciendo un átomo de estroncio y otro de xenón).
Actualmente la fusión es solo una posibilidad y los reactores que existen son piezas de laboratorio destinadas a la experimentación. Estos reactores utilizan como combustible deuterio y tritio (los isótopos de hidrógeno) en una reacción en la que un átomo de deuterio y otro de tritio se unen formando un átomo de helio.
Si tanto la fusión como la fisión son reacciones nucleares, ¿Por que existe tanto interés en la fusión? Estas son las ventajas de la fusión respecto de la fisión:
  • Mayor eficiencia: En la fisión se transforma en energía aproximadamente el 1% de la materia, mientras que en una reacción de fusión se transforma aproximadamente el 5% de la materia en energía. Esto significa que, a igual masa de combustible, la fusión producirá una cantidad de energía mucho mayor.
  • El combustible es mas abundante: Las centrales de fisión utilizan uranio 235, que es un elemento muy escaso; de hecho, se cree que las reservas de uranio pueden durar unos 100 años. Respecto a los combustibles para la fusión, el deuterio se extrae de la llamada agua pesada, que representa el 0.015% del total de agua existente en el planeta; en porcentaje es una cantidad muy pequeña, pero si pensamos en la cantidad total de agua que hay en el planeta, la cantidad total es gigantesca. El tritio es un elemento muy escaso en la naturaleza, pero se puede obtener por desintegración del litio, un metal bastante abundante. La desintegración del litio la pueden realizar los propios reactores de fusión.
  • No hay residuos radioactivos: La desintegración del uranio produce elementos radioactivos que han de almacenarse durante siglos hasta que su actividad se reduzca (son los famosos residuos radioactivos). En el caso de la fusión, el residuo producido es helio, un gas que ademas de ser totalmente inocuo tiene un importante valor económico.
Ademas, existe otra ventaja muy importante, pero que requiere una explicación mas detallada. La fisión es un proceso natural, mientras que la fusión es un proceso artificial. Para producir la fisión, basta con reunir una masa de uranio suficiente (la llamada masa crítica) y la radioactividad natural del uranio pondrá en marcha la reacción de fisión. La maquinaria que equipa la central nuclear tiene como misión mantener controlada esta reacción. En el caso de la fusión, para que se produzca es preciso calentar y comprimir la mezcla de deuterio y tritio hasta alcanzar el punto en que se iniciará la reacción. La maquinaria que equipa el reactor tiene la misión de producir estas condiciones a fin de que se produzca la reacción.
De lo dicho en el párrafo anterior se desprende que, si en una central de fisión se produce una avería, lo que ocurrirá es que la reacción nuclear quedará fuera de control, mientras que si la avería se produce en una central de fusión lo que ocurrirá es que la reacción se detendrá. Dicho con otras palabras, la fisión es insegura por naturaleza mientras que la fusión es segura por naturaleza.

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