Tecnología Industrial 2º Bachillerato

Motores térmicos

Clasificación de los motores térmicos

Podemos clasificar los motores térmicos en función de:

Tipo de combustión:

Interna
Externa

Fluido del motor:

Condensable (agua)
No condensable (aire)

Tipo de movimiento:

Alternativo
Rotativo

Tipo de ciclo:

Cerrado
Abierto

Motores de combustión externa

Máquina de vapor

La máquina de vapor es un motor de movimiento alternativo de combustión externa que transforma la energía térmica de un fluido condensable (agua) en energía mecánica. En función de si se recupera o no el agua a la caldera, el ciclo será cerrado o abierto respectivamente.

Este ciclo de trabajo se realiza de la siguiente forma:

Se genera vapor de agua por el calentamiento en una caldera cerrada herméticamente, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón.
Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico.
Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.
El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

Animaciones de una máquina de vapor
Fuente: www.wikipedia.es

Turbina de vapor

Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son de movimiento rotativo; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación de turbinas de vapor. Las turbinas de vapor tienen un rendimiento mayor que las máquinas de vapor. Son las encargadas de la generación de energía eléctrica en las centrales térmicas y nucleares.

Esquema de funcionamiento de una Turbina de Vapor de una Central Nuclear
Fuente: www.wikipedia.es

Tanto la máquina de vapor como la turbina de vapor se basan en el ciclo de Carnot, aunque con modificaciones técnicas para poder llevarlo a la práctica, que fueron propuestas por el ingeniero escoces J. M. Rankine, de ahí que se le denomine a este ciclo, Ciclo Rankine.

Motores de combustión interna

Los motores de combustión externa presentan dos limitaciones importantes:

La temperatura y la presión que puede alcanzar la caldera vienen limitadas por los materiales de fabricación.
Pérdidas en la transferencia de calor del combustible a la caldera.

Además, para su uso en transporte, es un hándicap (desventaja) ya que los vehículos tienen que transportar todo el peso de la caldera y el agua.

Motores de explosión o encendido provocado (MEP)

Motor de Explosión Monocilíndrico de 4 Tiempos (4T)
Fuente: www.wikipedia.es

Motor de Explosión Monocilíndrico de 2 Tiempos (2T)
Fuente: www.wikipedia.es

Ciclo Otto
Fuente: www.wikipedia.es

Motor de explosión de 4 Cilindros y 4T
Fuente: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto

Motores diésel o de encendido por combustión (MEC)

Ciclo Diesel
Fuente: www.wikipedia.es

Turbina de gas

Trabajo, energía, potencia y rendimiento

Trabajo

En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios (J) en el Sistema Internacional de Unidades.

Consideremos una partícula P sobre la que actúa una fuerza F. Si la partícula P recorre una cierta trayectoria en el espacio, su desplazamiento total entre dos posiciones A y B puede considerarse como el resultado de sumar infinitos desplazamientos elementales dr y el trabajo total realizado por la fuerza F en ese desplazamiento será la suma de todos esos trabajos elementales:

W_{\text{AB}}=\int_{\text{A}}^{\text{B}} \mathbf F \cdot \mathrm d \mathbf r \,

En el caso particular de que la fuerza aplicada a la partícula sea constante (en módulo, dirección y sentido), se tiene que:

W_{\text{AB}}=\int_{\text{A}}^{\text{B}} \mathbf F \cdot \mathrm d \mathbf r = \mathbf F \cdot \int_{\text{A}}^{\text{B}} \mathrm d \mathbf r =\mathbf F \cdot \Delta \mathbf r = F s \cos \theta

En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser también calorífica, eléctrica, magnética o química, por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico.

No obstante, existe una situación particularmente simple e importante en la que el trabajo está asociado a los cambios de volumen que experimenta un sistema (v.g., un fluido contenido en un recinto de forma variable).

Así, si consideramos un fluido que se encuentra sometido a una presión externa pext, y que evoluciona desde un estado caracterizado por un volumen V1 a otro con un volumen V2, el trabajo realizado será:

W_{12} = \int_{V_1}^{V_2} p_{\text{ext}} \mathrm d V

Resultando un trabajo positivo (W > 0) si se trata de una expansión del sistema y negativo en caso contrario, de acuerdo con el convenio de signos aceptado en la Termodinámica. En un proceso cuasiestático y sin fricción la presión exterior (pext) será igual en cada instante a la presión (p) del fluido, de modo que el trabajo intercambiado por el sistema en estos procesos se expresa como:

W_{12} = \int_{V_1}^{V_2} p \, \mathrm d V

De estas expresiones se infiere que la presión se comporta como una fuerza generalizada, en tanto que el volumen actúa como un desplazamiento generalizado; la presión y el volumen constituyen una pareja de variables conjugadas.

En el caso que la presión del sistema permanezca constante durante el proceso, el trabajo viene dado por:

W = \int_{V_1}^{V_2} p \mathrm d V = p \int_{V_1}^{V_2} \mathrm d V = p ( V_2 - V_1 ) = p \Delta V

Energía

La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. Aunque también puede hacer referencia a un recurso natural, y su tecnología, para poder extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.

En física clásica, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante.

Energía cinética: la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.

Energía cinética de traslación:
$E_{c}={\frac {mv^{2}}{2}}$

Energía cinética de rotación (particularizada para una esfera):

$E_{c}={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {1}{2}}\left({\frac {2}{5}}m_{0}R^{2}\right)\omega ^{2}$

Energía potencial gravitatoria: La energía potencial que posee una masa m situada a una altura h sobre la superficie terrestre vale:

$\Delta E_{p}=m\cdot g\cdot h$

Energía potencial elástica: el trabajo realizado para estirar el muelle una distancia x desde su posición de equilibrio, oponiéndose a la fuerza del muelle es:

$W=E_{p}(x)=\int _{0}^{x}-F_{x}dx=\int _{0}^{x}-(-kx)dx={\frac {1}{2}}kx^{2}\qquad \qquad$

$W=E_{p}(x_{2})-E_{p}(x_{1})=\int _{x_{1}}^{x_{2}}-kxdx={\frac {1}{2}}k(x_{1}^{2}-x_{2}^{2})$

Potencia

Rendimiento

Fuente: Wikipedia

Alfabeto griego

Fuente: www.wikipedia.es

Directrices y Orientaciones generales PAU

2º Bachillerato - Curso 2018 / 19

Os dejo el enlace al documento pdf con las directrices y orientaciones generales para las Pruebas de Acceso y Admisión a la Universidad.

Descarga el documento pinchando el siguiente enlace:

Directrices y Orientaciones generales PAU

Jornadas Preuniversitarias en la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla

2º Bachillerato - Curso 2018 / 19

Hoy, 12 de febrero de 2019, los alumnos de 2º de bachillerato de Tecnología Industrial II del IES Miguel de Mañara han realizado una visita a la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla en las Jornadas Preuniversitarias que se celebran cada año, con el fin de que los alumnos conozcan el centro y sus instalaciones.

En esta ocasión, la visita se ha realizado, al igual que la visita realizada a la Factoría Renault, junto con los alumnos de 2º Bachillerato del IES Antonio de Ulloa de La Rinconada y su profesor D. José María Fernández Raya.

Además, hemos estado acompañados por Ana Martínez, antigua alumna de nuestro centro y estudiante de segundo de Ingeniería Industrial. Ana ha contestado a las preguntas y dudas que tenían nuestros alumnos sobre su nueva etapa como alumna universitaria.

Agradecer como siempre el trato recibido en mi departamento de la Escuela de Ingenieros, especialmente a D. Francisco García Benítez, catedrático del Grupo de Transportes y a las explicaciones de mi amigo y antiguo compañero D. Francisco José Morales y de D. Antonio Valverde, maestro de taller del laboratorio de Transportes y Automóviles.

2º Bachillerato - Curso 2017 / 18

Hoy, 14 de febrero de 2018, los alumnos de 2º de bachillerato de Tecnología Industrial II del IES Miguel de Mañara han realizado la tradicional visita a la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla en las Jornadas Preuniversitarias que se celebran cada año, con el fin de que los alumnos conozcan el centro y sus instalaciones.

2º Bachillerato - Curso 2016 / 17

Hoy, 21 de febrero de 2017, los alumnos de 2º de bachillerato de Tecnología Industrial II del IES Miguel de Mañara han realizado la tradicional visita a la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla en las Jornadas Preuniversitarias que se celebran cada año, con el fin de que los alumnos conozcan el centro y sus instalaciones.

Visita a la Factoría Renault en Sevilla

2º Bachillerato - Curso 2018 / 19

Tercera visita de los alumnos de Tecnología Industrial II de 2º de Bachillerato del IES Miguel de Mañara a las instalaciones de la Factoría de Renault de Sevilla. Como novedad, este año hemos realizado la actividad junto con los alumnos de mi compañero y amigo D. José María Fernández Raya del IES Antonio de Ulloa de La Rinconada. Destacar la visita a la nueva aula de prevención de riesgos laborales donde se forman los trabajadores de la factoría.

Como siempre, agradecer al Grupo Renault la posibilidad de realizar esta visita y en particular al Departamento de Comunicación de la Factoría de Sevilla por el trato recibido.

2º Bachillerato - Curso 2017 / 18

Segunda visita del IES Miguel de Mañara a las instalaciones de la Factoría de Renault de Sevilla, la mayor fábrica de cajas de velocidades que tiene el grupo Renault en el mundo, con un 30% de la producción total (casi uno de cada 3 vehículos de Renault y Dacia lleva una caja de cambios fabricada en Sevilla).

Por último, agradecer al Grupo Renault la posibilidad de realizar esta visita y en particular al Departamento de Comunicación de la Factoría de Sevilla por el trato recibido.

2º Bachillerato - Curso 2016 / 17

Hoy, 16 de Enero de 2017, los alumnos de Tecnología Industrial II de 2º de Bachillerato del I.E.S. Miguel de Mañara han realizado una interesante visita a la Factoría de Renault de Sevilla, donde han podido ver cómo se fabrican los ejes y engranajes de la caja modelo TL4 de 6 velocidades, para su posterior montaje.

Oxidación - Corrosión

Los materiales están expuestos continuamente a un proceso de interacción material-ambiente que provoca, en muchos casos, la pérdida o deterioro de las propiedades físicas del material. Los mecanismos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, cerámicos o plásticos. Por ejemplo, la pérdida de las propiedades de los plásticos se denomina degradación y viene producida por la rotura de las cadenas de polímeros debido a los rayos ultravioletas (radiación solar). En el caso de un metal como el hierro, en presencia de la humedad y del aire, se produce una corrosión que transforma el metal en óxido, y si el ataque continúa acaba destruyéndose del todo.

Desde el punto de vista económico, la corrosión ocasiona pérdidas muy elevadas e incluso catástrofes si no se detiene a tiempo.

En el caso de los metales, donde nos vamos a centrar, podemos distinguir dos procesos, la oxidación y la corrosión. La oxidación no es más que una reacción donde un material se combina con oxígeno transformándose en un óxido de ese material. En cambio la corrosión es una oxidación producida en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas.

Oxidación:

Como ya hemos comentado, cuando un material se combina con el oxígeno se transforma en un óxido de ese material, a través de una reacción de oxidación.

Material + Oxígeno → Óxido de material ± Energía

El signo + (reacción exotérmica) indica que la reacción transcurre de manera espontánea hacia la derecha, en cambio es más complicado que se produzca oxidación si la reacción es endotérmica (signo -).

En la siguiente tabla se reflejan las energías de oxidación para los metales más comunes a 0 ºC:

Metal	Óxido	Energía (KJ/mol de O₂)
Aluminio (Al)	Al₂O₃	+1045
Titanio (Ti)	TiO	+848
Hierro (Fe)	Fe₃O₄	+508
Cobre (Cu)	CuO	+254
Plata (Ag)	Ag₂O	+5
Oro (Au)	Au₂O₃	-80

Las energías positivas de la mayorías de ellos explica que los metales se encuentren en la corteza terrestre en forma de minerales, como la bauxita (Al₂O₃), magnetita (Fe₃O₄), rutilo (TiO) o la calcopirita (Cu2O),...

Sin embargo, hay un factor más importante de cara a conocer la vida útil de un producto que es la velocidad de oxidación. La siguiente tabla muestra las velocidades de oxidación de los anteriores metales para una temperatura 0.7 T_F (donde T_F es la temperatura de fusión del metal).

Metal	Tiempo (horas)	T_F (ºC)
Aluminio (Al)	Muy alto	660
Titanio (Ti)	6	1670
Hierro (Fe)	24	1536
Cobre (Cu)	25	1083
Plata (Ag)	Muy alto	961
Oro (Au)	Infinito	1063

Teóricamente la velocidad de oxidación debería ser más alta cuanto mayor fuese la energía de oxidación, sin embargo comparando las dos tablas vemos que esto no es así, ya que el aluminio debería oxidarse rápidamente (doble de velocidad que el hierro) y por el contrario tiene un tiempo de oxidación muy alto.

Esto es debido a que cuando el metal se encuentra situado en una atmósfera oxidante (en presencia de oxígeno) su superficie se oxida más o menos rápido en función de su energía de oxidación. Sin embargo, una vez que el óxido se deposita en la superficie puede impedir que más oxígeno llegue al metal, formando la propia capa de óxido una película protectora.

Este efecto protector será mayor cuanto:

Mejor sea la adherencia de la capa de óxido al metal.
Más elevado sea el punto de fusión del óxido.
Menor sea la fragilidad del óxido.
Menor sea la conductividad eléctrica del óxido.

Además también influye la Relación de Pilling-Bedworth que representa el cociente entre el volumen de óxido y el volumen del metal, es decir, nos da una relación de la "compatibilidad" entre ambas capas.

Relación P.B. = Volumen óxido producido / Volumen de metal consumido

De forma que en función del valor de la relación:

Si R.P.B. < 1 el volumen del óxido será menor que el del metal y por tanto la capa de óxido se agrietará (metales alcalinos).
Si R.P.B. ~ 1 el volumen de la capa de óxido es similar a la de la capa de metal y por tanto la capa de óxido puede actuar como capa protectora del metal (aluminio).
Si R.P.B. > 1 el volumen de la capa de óxido será mayor que la del metal, por lo que la capa de óxido tenderá a desprenderse (hierro).

Para proteger de la oxidación se recurre a diferentes métodos como la aleación de metales (acero inoxidable (Fe - Cr (18%))) o a los recubrimientos superficiales (dorado, plateado, cromado, cincado, pintado, vidriado,...). Esto se verá con más detalle en la pregunta de corrosión.

Corrosión:

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