La fuerza es una magnitud física de carácter vectorial capaz de deformar los cuerpos (efecto estático), modificar su velocidad o vencer su inercia y ponerlos en movimiento si estaban inmóviles (efecto dinámico). En este sentido la fuerza puede definirse como toda acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo (imprimiéndole una aceleración que modifica el módulo o la dirección de su velocidad).
Comúnmente nos referimos a la fuerza aplicada sobre un objeto sin tener en cuenta al otro objeto u objetos con los que está interactuando y que experimentarán, a su vez, otras fuerzas. Actualmente, cabe definir la fuerza como un ente físico-matemático, de carácter vectorial, asociado con la interacción del cuerpo con otros cuerpos que constituyen su entorno.
Denominamos fuerza a toda acción capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. Las fuerzas son magnitudes vectoriales y para definirlas es necesario determinar su punto de aplicación, dirección, sentido e intensidad.
La intensidad de una fuerza se mide con un dinamómetro.
El dinamómetro consta de un resorte, con uno de sus extremos fijo y el otro desplazable libremente que posee un indicador que marca sobre una escala el estiramiento (o deformación) provocado por la fuerza que se aplica en el extremo libre.
Leyes de Newton:1º Ley: Principio de Inercia: Todo cuerpo tiende a permanecer en el estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme en que se encuentra, siempre que una fuerza extraña no modifique dicho estado.
2º Ley: Principio de masa: La aceleración adquirida por un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a la masa de aquél.
3º Ley: Principio de acción y de reacción: A toda fuerza (acción) ejercida por un cuerpo sobre otro, éste opone, sobre aquél otra fuerza de igual intensidad y sentido contrario (reacción).
F = m x a
Unidades:
N (newton) = kg m/seg2
Kg: kilogramo fuerza
1 Kg: 9,8 N
PresiónLa presión (símbolo p)es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea.
Definición
La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:
Presión absoluta y relativa. Vacío.
La presión atmosférica es la fuerza por unidad de área que ejerce el aire sobre la superficie terrestre.
Presión relativa es la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, o presión manométrica.
Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica (Pa) más la presión manométrica (Pm) (presión que se mide con el manómetro).
Vacío es la presión de un gas por debajo de la presión atmosférica, por lo que el grado de vacío se incrementa en relación directa con la disminución de presión del gas residual. Esto significa que cuanto más se disminuya la presión, mayor vacío se obtendrá, lo que permite clasificar el grado de vacío en correspondencia con intervalos de presiones cada vez menores.
Manómetro
Principio de funcionamiento de un manómetro.
Vacuómetro
Manovacuómetro
CALOR
Calor es Energía.
Las principales formas de energía que generan calor:
•Luz → sol
•Electricidad → calentadores
•Magnetismo → histéresis del hierro
•Químico → combustión
•Mecánicos → compresión, fricción, percusión.
El calor se mide en calorías* o BTU**.
*Caloría=Unidad de energía térmica, de símbolo cal, que equivale a la cantidad de calor necesaria para elevar 1 grado centígrado la temperatura de 1 gramo de agua en condiciones atmosféricas normales.
**BTU (british thermal unit)=Unidad térmica, de símbolo BTU o BTu, que representa la cantidad de calor que se requiere para elevar en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.
Temperatura:Es el número que representa el estado térmico de un cuerpo, tomando como referencia un estado térmico perfectamente definido.
El aparato para medir las temperaturas se denomina termómetro.
Los termómetros presentan una escala termométrica, las cuales son:
a) La escala centígrada o Celsius
b) La escala Fahrenheit
Conversión de grados centígrados a grados Fahrenheit y viceversa
°C= ( °F-32 ) * 5/9
°F= °C* 9/5 + 32
A. Conducción: es la transferencia de calor por contacto directo entre dos cuerpos. La conducción del calor tiene lugar únicamente cuando las distintas partes del cuerpo se encuentran a temperaturas diferentes y la dirección del flujo calórico es siempre de los puntos de mayor a los de menor temperatura. Los materiales poseen un coeficiente de conductibilidad térmica, a mayor conductibilidad térmica, mayor es la cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo.
Ejemplo de conducción.
B. Convección: es la transferencia de calor producida por el movimiento de los gases (aire) y líquidos. El aire al calentarse disminuye su peso específico volviéndose mas liviano; ascendiendo y el lugar que deja es ocupado por el aire más frío (> Pe) que a su vez se calienta repitiéndose el ciclo anterior. En el caso de los líquidos por ejemplo el agua en un recipiente; al calentarse el recipiente por su base, el agua de la parte más baja se calentará más rápidamente que la parte superior, haciéndose así más liviana que la restante y ascenderá en el recipiente. Por el contrario, el agua más fría descenderá para ocupar el lugar dejado por la que se desplaza hacia arriba. En ambos casos, gases y líquidos, se establece una corriente llamada “corriente convectiva”.
Ejemplo de convección.
C, Radiación: es la transferencia de calor producida por la emisión de ondas electromagnéticas, dichas ondas se mueven a través del espacio o de los materiales a la velocidad de la luz, siendo absorbidas por los cuerpos que no son transparentes a ellas (cuerpos opacos).
Ejemplo de radiación.
Trabajo:
Cuando una fuerza aplicada a un cuerpo es capaz de moverlo, se dice que la fuerza realiza trabajo. El trabajo mecánico es el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida en el mismo sentido que la fuerza.
Trabajo (L) = fuerza (F) x espacio recorrido (e)
Puede ocurrir que el espacio recorrido no tenga igual dirección que el de la fuerza aplicada, en este caso las direcciones del espacio recorrido y la fuerza aplicada determinan un ángulo.
L = F e cos α
Potencia (física)En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.
Potencia mecánicaLa potencia mecánica aplicada sobre un sólido rígido viene dado por el producto de la fuerza resultante aplicada por la velocidad:
Si además existe rotación del sólido y las fuerzas aplicadas están cambiando su velocidad angular:
donde
son la fuerza resultante y el momento resultante. 
son la velocidad del punto donde se ha calculado la resultante efectiva y la velocidad angular del sólido.POTENCIA DE UNA CALDERA
EL tamaño de una caldera es determinado por su "superficie de calefacción" que es aquella parte de la caldera que por un lado está en contacto con el agua y por el otro con el fuego y gases calientes, medida por el lado de los humos y se expresa en metros cuadrados.
Muchas veces por costumbre se designa la potencia de una caldera en caballos de fuerza, lo cual es erróneo, pues una caldera no tiene fuerza motriz sino vapor, el que podría ser utilizado por una máquina que genere fuerza motriz. Según sea la máquina producirá mayor o menor potencia con la misma cantidad de vapor.
La potencia de una caldera se puede expresar en cantidad de vapor generado en una hora.
Desde luego, esto dependerá de la superficie total de calefacción. A mayor superficie de calefacción se tiene más vapor y, por lo tanto, mayor potencia. La potencia se mide normalmente en kilogramo de vapor producido en una hora por metro cuadrado de superficie de calefacción (KVH/m2). En la potencia de las calderas tiene influencia su diseño, construcción, instalación y manejo.
A modo de ejemplo podemos anotar los siguientes valores:
Calderas con dos hogares interiores...........................14 a 22 KVH/m2
Calderas locomóvil o de locomotora............................12 a 20 KVH/m2
Caldera marina............................................................18 a 28 KVH/m2
Caldera vertical............................................................10 a 14 KVH/m2
Caldera acuotubular de gran potencia .......................40 a 66 KVH/m2
Caldera acuotubular de circulación forzada................60 a 150 KVH/m2
Consiste en aplicar el Principio de Conservación de la masa y de la energía a una Caldera o Generador de Vapor, trabajando a régimen estable. Su objetivo es cuantificar las energías (o flujos de calor) que entran y salen del equipo, permitiendo evaluar la importancia relativa de cada una de ellas.
Un balance térmico realizado correctamente, exige la identificación de todas las energías (o flujos de calor) transferidas. Sin embargo, por razones prácticas o por limitaciones en la adquisición de datos, es frecuente la aplicación de un Balance Térmico Simplificado, que considera sólo aquellas energías de mayor relevancia.
En el balance térmico se debe definir una temperatura de referencia que en general es 1OO°C además, se consideran las ganancias y las pérdidas de energía asociada a masas o flujos másicos, como asimismo algunas pérdidas de calor que no están vinculadas a una masa o flujo másico, como por ejemplo las pérdidas por radiación y convección al ambiente .
1.con las llamas (superficie de calefacción directa).
2.con los gases de la combustión (superficie de calefacción indirecta).
Se mide del lado de los gases en m2 o en pies2.
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Medición en caldera
- Temperatura de gases de combustión
- presión de vapor
- temperatura del agua de alimentación
- temperatura de retorno del condensado
- consumo de combustible
- presión del combustible
- presión del aire
- presión atmosférica
Accesorios o instrumentos de Observación o Monitoreo:
- Indicadores de nivel de agua: Toda caldera deberá estar provista, a lo menos, de dos indicadores de nivel de agua, independientes entre sí. Uno de ellos deberá ser de observación directa del nivel de agua, del tipo tubo de vidrio , pudiendo ser el otro formato por una serie de tres grifos o llaves de prueba .
- Indicadores de presión: Toda caldera deberá estar provista de uno o más manómetros , que se conectarán a la cámara de vapor de la caldera mediante un tubo que forme un sello de agua.
-Analizadores de gases: Son aparatos que sirven para controlar la calidad de la combustión dentro del hogar, a través del análisis de los gases que salen por la chimenea.
- Indicadores de temperatura: Son instrumentos destinados a medir la temperatura, ya sea del agua de alimentación, del vapor, de los gases de la combustión del petróleo, etc.
Se denomina gas al estado de agregación de la materia compuesto principalmente por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo que hace que los gases no tengan volumen y forma definida, y se expandan libremente hasta llenar el recipiente que los contiene. Su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos, y las fuerzas gravitatorias y de atracción entre sus moléculas resultan insignificantes. En algunos diccionarios el término gas es considerado como sinónimo de vapor, aunque no hay que confundir sus conceptos: vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante.
Proceso físico de la generación del vapor.
Si en un recipiente abierto se coloca una cierta cantidad de agua destilada y se lo pone en contacto con una fuente productora de calor, éste se transmitirá al agua a través de las paredes del recipiente. Al recibir calor, la temperatura del agua se elevará sin otro cambio que un pequeño aumento de volumen, hasta alcanzar los 100ºC.; en ese instante entrará en ebullición. La temperatura del agua y del vapor en contacto con ella, permanecerán constantes a 100ºC mientras haya agua en el recipiente y permanezca abierto a la atmósfera (Presión atmosférica normal).
Si se continúa aplicando calor al recipiente y se lo cierra de tal manera que el vapor no pueda escapar, la presión y la temperatura dentro del mismo aumentará a medida que se vaya formando vapor y continuarán aumentando hasta que la temperatura del agua y del vapor alcance aproximadamente la de la fuente productora de calor.
Si el recipiente mencionado se le practica una pequeña abertura, como para permitir que el vapor escape en una proporción uniforme, y se mantiene constante la proporción del calor aplicado, la presión dentro del recipiente y la temperatura del agua y del vapor permanecerán constantes e iguales, dependiendo sus valores de la proporción en que escape el vapor. Aumentando la cantidad de calor aplicado o disminuyendo la del escape de vapor, se aumentará la presión en el recipiente y con ello, la temperatura del agua y del vapor. Sin embargo, ''mientras haya agua en el recipiente y la presión en el interior del mismo permanezca constante, la temperatura del agua y del · vapor permanecerán constantes e iguales''.
En estas condiciones, el vapor contiene una cierta cantidad de humedad o agua en suspensión, por lo que se le llama vapor saturado.
Si la evaporación continúa en las mismas condiciones, hasta que toda el agua se haya convertido en vapor e, inmediatamente, se cierra el recipiente de modo que no reciba ni pierda calor, éste se llenará con vapor en el que no habrá humedad. En estas condiciones se dice que el vapor es saturado seco.
La proporción de vapor seco en una mezcla de agua y vapor, se llama calidad de la mezcla o, mejor dicho, grado de saturación, y se expresa en tanto por ciento.
Así, si una cantidad de vapor húmedo contiene 90 % de vapor seco y 10 % de humedad, se dice que la mezcla tiene un grado de saturación de 90% .
La temperatura de un vapor saturado correspondiente a una presión dada, se llama temperatura de saturación a aquella presión; por ejemplo, la temperatura de saturación del vapor de agua a la presión atmosférica normal (1 at. ab.) es de 1OOQC. y la temperatura de saturación a la presión de 27 kg/ cm2. ab. es de 229,59.
Recíprocamente, la presión de un vapor saturado correspondiente a una temperatura dada, se llama presión de saturación a aquella temperatura; por ejemplo: la presión de saturación del vapor a la temperatura de 204,59C es de 16,3kg/cm2.
Vapor recalentado:
Si al vapor saturado seco, que hemos mencionado, lo enviamos desde el recipiente (A) en que fue generado, a otro recipiente (B), construido de tal manera que la presión pueda mantenerse constante dentro del mismo, y se le aplica calor, la temperatura del vapor contenido en éste se levará sobre la correspondiente al vapor saturado en el primer recipiente (A). Si el vapor tiene un cierto grado de saturación cuando entra al segundo recipiente (B), antes de que pueda ocurrir cualquier cambio en la temperatura debe evaporar toda la humedad que contiene."Una vez evaporada toda el agua que contiene el vapor y a medida que se le siga aplicando calor, su temperatura aumenta. y se convierte en vapor recalentado. La cantidad en que la temperatura del vapor recalentado excede a la temperatura de saturación correspondiente a su presión (o diferencia de temperatura), se llama grado de recalentamiento; Por ejemplo: si tenemos un vapor saturado seco a la presión de 27 kg/cm2• ab., cuya temperatura de saturación es de 229,59C. y lo recalentamos a la temperatura de 396,59C., su grado de recalentamiento será: (396,5 - 229,5) = 1679C.
CARACTERÍSTICAS QUE HACEN AL VAPOR UN FLUIDO UTILIZABLE
- Materia prima barata y de elevada disponibilidad
- Amplio rango de temperaturas de empleo
- No inflamable y no tóxico (estéril)
- Fácilmente transportable por tubería
- Elevado calor de condensación
- Elevado calor específico
- Temperatura de condensación fácilmente regulable
APLICACIONES DEL VAPOR
- Aplicado para calentamiento y humidificación (110-250 oC)
- El vapor sobrecalentado es utilizado en la industria procesadora de alimentos para cocimiento, secado/ deshidratado.
- Vapor para impulso y movimiento (Turbinas de vapor)
- Esterilización de material quirúrgico en hospitales (autoclaves)
Grado de la transferencia de calor:
El grado de la transferencia de calor puede ser aumentado o disminuido según las necesidades, por el uso de materiales adecuados . El cobre es un buen conductor y el corcho es un mal conductor o un buen aislador.
Formas en que se transfiere el calor:
-Conducción: es la transferencia de calor de partícula a partícula de una sustancia, sin movimiento de éstas entre sí. El fenómeno de conducción tiene lugar especialmente en los sólidos , pero también puede existir el líquidos y gases.
-Convección: es la transferencia de calor a través de un fluido. Tiene lugar solamente en líquidos y gases.
-Radiación: se propaga en formas de ondas de calor y su movimiento es similar al de la luz. No requiere de ningún medio específico para propagarse.
Presión atmosférica
Es la presión ejercida sobre la superficie de todos los cuerpos por la capa gaseosa que constituye la atmosfera. En el nivel del mar la presión es mayor pero a mayor altura la presión disminuye debido a la densidad del aire.
Presión absoluta
Se mide a partir del vaco o depresión.
Presión absoluta = presión relativa + presión atmosférica
Calor específico: es la cantidad de calorías necesarias para aumentar la temperatura de una sustancia 1º C.
Calor sensible: es el calor que cambia la temperatura de una sustancia.
Calor latente: es el calor que convierte un sólido en líquido o un líquido en vapor sin cambiar su temperatura.
Sobrecalentamiento: es el calor añadido a un gas , después de que todo el líquido se ha evaporado. Se mide en ºC o ºF
2º Principio de la termodinámica: para obtener trabajo mecánico del calor, deberá disponerse de dos fuentes de distinta temperatura.
Fuentes: son aquellos elementos, equipos o cuerpos que pueden entregar calor permanentemente a una misma temperatura.
Ciclo: es un conjunto de transformaciones por las que pasa una sustancia, en el cual el estado final coincide con el estado inicial.
ENTALPÍA:
1.Energía a nivel molecular que tiene la sustancia cuando entra a un sistema abierto.
2.Es la suma de energía interna y trabajo producido.
3.Cantidad de calor que la sustancia de trabajo intercambia con el medio exterior cuando evoluciona a presión constante entre la temperatura inicial y final.
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