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5.- Termodinámica. Gases perfectos

Caso práctico

Las máquinas de vapor han influido determinantemente en el desarrollo industrial que se produjo en el siglo XIX y que tuvo sus inicios en Inglaterra. Esto es, la Primera Revolución Industrial. Durante este periodo se vivió el mayor conjunto de transformaciones económicas, tecnológicas y sociales de la historia de la humanidad desde el Neolítico y transformó una economía rural basada fundamentalmente en la agricultura, la ganadería y el comercio en una economía de carácter urbano, industrializada y mecanizada.​ Una de las primeras máquinas industriales de vapor fue la de Newcomen, utilizada para sacar el agua de las minas.

Newcomen atmospheric engine animation.gif
Emoscopes. Máuina de Newcomen (CC BY)



Su perfeccionamiento dio paso a la máquina de vapor de Watt, en la que se empleaba una válvula de regulación centrífuga, tal como puede verse en la siguiente animación:

Steam engine in action.gif
Panther. Máquina de vapor (CC BY)



Finalmente, y ya en la Segunda Revolución Industrial, apareció una de las máquinas más utilizadas para transformar energía térmica en trabajo mecánico y, posteriormente, obtener electricidad: la turbina de vapor. Observa este vídeo sobre su funcionamiento, el cual está basado en muchos de los conceptos vistos y que se rigen por las Leyes de la Termodinámica que vamos a ver en este apartado.

Funcionamiento de una turbina de vapor

La Termodinámica es una de las ciencias más antiguas. Desde siempre el hombre ha estado interesado en la transmisión del calor, en un principio de forma pasiva y posteriormente mediante máquinas térmicas. Las máquinas de Newcomen y Watt fueron pasos necesarios y previos al desarrollo de otras máquinas, primero de vapor, posteriormente eléctricas o con carburantes derivados del petróleo, hasta llegar a los coches, trenes, aviones e incluso naves espaciales. El mayor problema de muchas de estas máquinas térmicas es su bajo rendimiento. Su imposibilidad teórica de superar, en muchos casos, rendimientos del 50%, tiene como consecuencia la pérdida de energía ¿Sabías que el rendimiento de un coche diesel o de gasolina de los más modernos no supera el 40%? Es decir, el 60% de la energía química del combustible se pierde ¿Y sabes a dónde va a parar? Efectivamente, se degrada en calor de difícil recuperación.

Caso práctico: Energía geotérmica

Existen diferentes métodos para convertir en electricidad la energía térmica existente en el subsuelo de la Tierra. Básicamente, consiste en inyectar un fluido a la profundidad suficiente para que el calor, que todavía existe en el núcleo de nuestro planeta, se transfiera al fluido, aumentando su entalpía. La entalpía del agua a 50 ºC y presión atmosférica normal es mucho menor que la que tiene el vapor de agua a 400 ºC y altas presiones. Por ello, se introduce el fluido a cierta profundidad, que depende de las características del terreno, para que éste adquiera mayor entalpía y podamos introducirlo en una turbina para extraer la energía térmica que ha absorbido del calor de la tierra. El vapor caliente, y a alta presión, impacta contra los sucesivos discos de álabes, generando movimiento y, por tanto, energía mecánica que se transmitirá a un generador eléctrico. El vapor choca contra los álabes y pierde presión y temperatura sucesivamente, conforme la turbina gira. A la salida de la turbina el fluido tiene una menor entalpía, que habrá que aumentar nuevamente introduciendo el fluido, mediante bombas, en el terreno. Esto sería una máquina térmica funcionando según un ciclo termodinámico que se denomina ciclo de Rankine.

Sistemas de energía geotérmica
US Department of Energy. Geothermal Energy (Dominio público)



Para saber más

Para profundizar en las diferentes cuestiones tratadas en este apartado, se puede acceder a la magnífica web de la profesoras Teresa Martín Blas y Ana Serrano Fernández de la EUIT Forestal - Universidad Politécnica de Madrid