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LA TERMODINAMICA EN EL CORTE DE METALES
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN PUERTO ORDAZ
Profesor: Autor:
Alcides J. Cádiz. T.S.U. Nestor Perez
Ciudad Guayana, Diciembre del 2014
ÍNDICE
Pág.
Introducción
La termodinámica……………………………………………………………………….04
La temperatura…………………………………………………………………..05
Equilibrio Térmico……………………………………………………………….05
Ley Cero de la Termodinámica…………………………………………………05
Sistema termodinámico…………………………………………………………06
Primera Ley de la Termodinámica……………………………………………..06
Segunda Ley de la Termodinámica…………………………………………….07
Tercera Ley de la Termodinámica………………………………………………07
Corte de los Metales…………………………………………………………………….08
Escalas de medición de la temperatura……………………………………....09
Importancia de las fuerzas de corte……………………………………………09
Temperaturas de corte…………………………………………………………..10
Desgaste de herramientas………………………………………………….......10
La Viruta………………………………………………………………………………..…11
Usos de la viruta…………………………………………………………………11
Formación de viruta………………………………………………………………11
Conclusión……………………………………………………………..…………………13
Bibliografía………………………………………………………………………………..14
INTRODUCCIÓN
En la Termodinámica se encuentra la explicación racional del
funcionamiento de la mayor parte de los mecanismos que posee el hombre actual.
La Termodinámica aporta los fundamentos científicos básicos que han permitido la
invención del motor de automóvil, de la turbina de gas de un avión y de una larga
serie de dispositivos tecnológicos de cuyos efectos nos beneficiamos a diario y de
cuyo funcionamiento al menos en su aspecto fundamental se responsabiliza
plenamente esta ciencia.
El objetivo fundamental del presente estudio es brindar los conocimientos
básicos y presentar los conceptos fundamentales de la termodinámica en su forma
tradicional, y su vinculación en el corte de los metales. La idea es presentar de la
manera más precisa y concisa posible las definiciones de los conceptos, las leyes
y los razonamientos, que frecuentemente no aparecen con precisión en muchos
textos.
LA TERMODINAMICA
La termodinámica es el estudio y la explicación desde un punto de vista
macroscópico de una amplia gama de fenómenos de origen intrínsecamente
dinámicos conocidos como: efectos térmicos, o fenómenos caloríficos los cuales
se relacionan con cambios espontáneos o inducidos por el calor y que además no
pueden ser explicados mediante la dinámica.
La palabra termodinámica se deriva de los términos griegos therme=calor y
dynamis=fuerza. Los pilares de la termodinámica los constituyen sus cuatro leyes:
cero, primera, segunda y tercera ley los cuales se verán en la sección
correspondiente.
La termodinámica al igual que la dinámica hace uso de las mismas tres
variables fundamentales: longitud, masa y tiempo y de algunas derivadas como la
energía, presión y volumen; sin embargo, para la descripción de la mayoría de sus
fenómenos se requiere una cuarta variable fundamental: la temperatura.
En la dinámica se presenta como caso particular o sub-área la Estática
definida como equilibrio de fuerzas, Asimismo, en la termodinámica se encuentra
el equilibrio térmico, el cual corresponde. En el caso de un sólido, los movimientos
en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del
sólido equivalentemente a un equilibrio de temperaturas.
Una de las grandes diferencias entre la mecánica y la termodinámica es
que según la primera toda la energía se puede convertir en trabajo, pero de
acuerdo a la segunda sólo una pequeña parte de la energía se convierte en
trabajo. Esta es la gran realidad que percibimos en la vida diaria.
La temperatura.La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de
caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En el caso de un
sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas
en sus sitios dentro del sólido.
Equilibrio Térmico.La experiencia nos indica que los cuerpos calientes se enfrían y los fríos se
calientan cuando están en contacto o cercanos, esto indica que por lo menos
existe un intercambio de energía por lo cual por asociación con fenómenos
mecánicos con desprendimiento de calor, decimos que existe un intercambio de
calor. El concepto más primitivo de equilibrio implementado por el hombre se
puede expresar de la forma: “Todos los cuerpos expuestos al mismo ambiente
finalmente adquieren el mismo grado de caliente o frío a pesar de cualquier
evidencia contraria de los sentidos”.
Al igual que en la Estática, el concepto de temperatura intrínsecamente
arraigado en un equilibrio, el cual denominaremos ”Equilibrio Térmico” y en
consecuencia enunciamos que: “La temperatura de un cuerpo o sistema es una
propiedad que determina si éste se encuentra en equilibrio térmico con su entorno
o el sistema que le rodea”.
Ley Cero de la Termodinámica.Al principio anteriormente mencionado se le conoce como ley cero de la
termodinámica: “La temperatura de un cuerpo o sistema es una propiedad que
determina si éste se encuentra en equilibrio térmico con su entorno o el sistema
que le rodea”, Para medir la temperatura de un sistema necesitamos un
instrumento (lo denominamos termómetro) que indique la temperatura, pero todo
instrumento de medida altera el sistema, así que una forma equivalente de
enunciar el principio cero de la termodinámica y el cual toma en cuenta al
termómetro es el siguiente: “Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero (el
termómetro) están en equilibrio térmico entre sí”.
Como corolario de este principio se puede enunciar entonces que: “Cuando
dos sistemas están en equilibrio poseen la misma temperatura o bien que, dos
cuerpos a temperaturas diferentes no están en equilibrio y en consecuencia
intercambiarán calor”.
En resumen el concepto de temperatura y el principio cero de la
termodinámica son en esencia lo mismo.
La magnitud de la temperatura es representada por un número puro, un
escalar, y por lo tanto no posee propiedad vectorial o tensorial. Una variable que si
posee propiedades vectoriales es el gradiente de temperatura T.∇
Sistema termodinámico.Un sistema termodinámico puede ser un cuerpo, un conjunto de objetos
macroscópicos o cualquier colección de materia identificable y la cual está
separada de un entorno o medio que le rodea por una frontera bien definida de
forma tal que pueda intercambiar energía o materia con el medio que le rodea. Un
sistema termodinámico puede ser cerrado si no hay intercambio de materia o
masa, por el contrario si existe intercambio se define abierto. Un sistema aislado
es aquél donde no existe intercambio de energía de cualquier clase con el
entorno. Un sistema se denomina adiabático si no intercambia calor con el
entorno. Por el contrario cuando el sistema intercambia solamente calor con el
entorno se denomina mecánicamente aislado. Un sistema termodinámico
homogéneo es aquél en el cual partes macroscópicas del mismo poseen las
mismas propiedades y composición. Por lo contrario en un sistema heterogéneo
las propiedades difieren entre las partes y por lo general presenta interfaces entre
estas partes.
Primera Ley de la Termodinámica.“La energía de un sistema cerrado nunca desaparece ni se crea de la nada,
ni se destruye, todo lo que ocurre son cambios o transferencia de energía entre los
cuerpos”. Todas las leyes universales de la naturaleza están basadas en esta ley.
En los procesos termodinámicos el principio de conservación de la energía
debe ser extendido para incluir el calor, así que lo podemos enunciar en una forma
equivalente conocida como primera ley de la termodinámica. “La suma de la
energía mecánica, el calor y la energía interna en un sistema es una constante.”
Segunda Ley de la Termodinámica.Esta ley responde a las limitaciones e interrogantes planteadas por la
primera ley, se puede enunciar de varias maneras y no es muy difícil demostrar la
equivalencia entre ellas. Al igual que la primera, esta ley ha sido establecida no
por argumentaciones estrictamente matemáticas sino por la imposibilidad de
demostrar que son falsos los enunciados o por la imposibilidad de construir una
máquina que viole el teorema de Carnot. De aquí que esta ley posee alcances
filosóficos de la ciencia que van más allá de la Física, es decir la Metafísica,
particularmente sus aplicaciones en Astrofísica. Los siguientes enunciados de esta
ley algunos se pueden demostrar de las conclusiones y el teorema de Carnot otros
se derivan de la frustración del hombre en lograr máquinas perfectas o perpetuas.
“Es imposible la existencia de una máquina térmica que operando en un
ciclo transfiera calor de un reservorio frío a uno caliente sin producir ningún otro
cambio o variación en el medio ambiente”.
Se deduce de este enunciado que para transferir calor del reservorio de
baja temperatura al de alta se requiere trabajo o dicho de otra manera: “El calor no
puede fluir espontáneamente de un reservorio de baja temperatura a otro de
temperatura más alta”. Con este enunciado quedan aclarados el primer factor
limitante de la primera ley y el comportamiento de los procesos irreversibles.
Tercera Ley de la Termodinámica.La Tercera ley de la termodinámica se puede enunciar de dos formas
diferentes pero equivalentes;
1er Enunciado o postulado de Nernst ≡ Definición microscópica de la entropía: “Si
la temperatura se aproxima al cero absoluto la entropía tiende a un valor
constante”
2do Enunciado≡ Negación del cero absoluto o declaración de inaccesibilidad: “Es
imposible alcanzar el cero absoluto de temperatura en una cantidad finita de
pasos, extracción de calor y gasto de trabajo” .
Corte de los Metales. El corte de los metales requiere de mucha potencia para separar la viruta de
la pieza de trabajo. Aunque las herramientas de corte de hoy, son mucho más
eficientes, las velocidades de arranque del material también se han incrementado.
La comprensión de las fuerzas de corte, nos ha llevado a buenos y más fuertes
filos de corte, que han permitido a la manufactura colocarse en donde esta hoy en
día.
Dentro de los siete procesos básicos de arranque de viruta, para este tema,
nos enfocaremos en el proceso de torneado. El corte de los metales tiene por
objeto, eliminar en forma de viruta, porciones de metal de la pieza a trabajar, con
el fin de obtener una pieza con medidas, forma y acabado deseado. El
mecanizado, es un proceso de deformación, en el que tienen lugar unas muy
fuertes deformaciones plásticas y a grandes velocidades. El estudio del proceso
se complica aun más a causa de los parámetros de corte, las variaciones de la
geometría de las herramientas y sus materiales, la temperatura, las condiciones
de funcionamiento de la máquina e incluso el medio en que se desarrolla este
proceso.
A lo largo del tiempo, conforme el conocimiento y la tecnología avanza, se
ha requerido de instrumentos de medición que nos proporcionen datos que
podamos observar, estudiar, evaluar y poner al servicio de la misma tecnología.
No podemos hablar de procesos que involucren movimiento sin hablar de las
fuerzas que en ellos actúan. Las fuerzas realizan trabajos y estos se realizan en
un tiempo. A esto lo llamamos potencia y sus unidades de medición mas usadas
son los Watts y Caballos de fuerza.
Escalas de medición de la temperaturaLas dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius (llamada
anteriormente ‘’centígrada’’) y la Fahrenheit. Estas se encuentran definidas en
términos de la escala Kelvin, que es la escala fundamental de temperatura en la
ciencia.
La escala Celsius de temperatura usa la unidad ‘’grado Celsius’’ (símbolo
0C), igual a la unidad ‘’Kelvin’’. Por esto, los intervalos de temperatura tienen el
mismo valor numérico en las escalas Celsius y Kelvin. La definición original de la
escala Celsius se ha sustituido por otra que es más conveniente. Sí hacemos que
Tc represente la escala de temperatura, entonces:
Tc = T - 273.150
Relaciona la temperatura Celsius Tc (0C) y la temperatura Kelvin T(K).
Vemos que el punto triple del agua (=273.16K por definición), corresponde a
0.010C. La escala Celsius se definió de tal manera que la temperatura a la que el
hielo y el aire saturado con agua se encuentran en equilibrio a la presión
atmosférica - el llamado punto de hielo - es 0.00 0C y la temperatura a la que el
vapor y el agua liquida, están en equilibrio a 1 atm de presión -el llamado punto del
vapor- es de 100.00 0C.
De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.000C) es igual a
32.0 0F, y que el punto del vapor (100.00C) es igual a 212.0 0F, y que un grado.
Fahrenheit es exactamente igual 5/9 del tamaño de un grado celcius.
Importancia de las fuerzas de corteAunque el coste de la potencia consumida en una operación de mecanizado
no es un factor económico importante habitualmente, es necesario su
conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para
realizar la operación debido a las limitaciones impuestas por la máquina
disponible. La capacidad de estimar la potencia de una operación es importante
sobre todo en las operaciones de desbaste ya que lo que interesa es realizar la
operación en el menor tiempo y en el menor número de pasadas posible. Por otra
parte, las fuerzas de corte también intervienen en fenómenos como el
calentamiento de la pieza y la herramienta, el desgaste de la herramienta, la
calidad superficial y dimensional de la pieza, el diseño del amarre y utillajes
necesarios, etc.
Temperaturas de corteUna de las limitaciones de los procesos de corte son las temperaturas
alcanzadas durante el mecanizado. La potencia consumida en el corte se invierte
en la deformación plástica de la viruta y en los distintos rozamientos. Estos
trabajos se convierten en calor que se invierte en aumentar las temperaturas de la
viruta, la herramienta y la pieza de trabajo. La herramienta pierde resistencia
conforme aumenta su temperatura, aumentando su desgaste y por lo tanto
disminuyendo su vida útil.
Por otro lado, un calentamiento excesivo de la pieza de trabajo puede variar
las propiedades del material debido a cambios microestructurales por efectos
térmicos, también puede afectar a la precisión del mecanizado al estar
mecanizando una pieza dilatada que a temperatura ambiente se puede contraer.
Desgaste de herramientasDesgaste es la pérdida de material por fricción que hace cambiar la
geometría de la herramienta hasta llegar a inutilizarla.
Los mecanismos de desgaste en las operaciones de corte son
principalmente tres:
Adhesión: Debido a las microsoldaduras, los átomos de la superficie
de la herramienta son arrastrados por la viruta.
Abrasión: La pieza de trabajo contiene inclusiones de partículas muy
duras que rayan la superficie de la herramienta.
Difusión: A temperaturas elevadas, los átomos de aleación se
difunden hacia donde existe menos concentración. Por este
mecanismo la superficie de la herramienta se empobrece de
elementos de aleación debilitándose.
Estos mecanismos se agravan cuando aumenta la temperatura, y cuando
los materiales son más afines.
El desgaste en la herramienta de corte es de dos tipos principalmente:
En la cara de desprendimiento se produce un cráter, normalmente en
el punto donde la temperatura alcanza su máximo.
En la cara de incidencia se produce un achaflanamiento de la punta
debido al rozamiento de la herramienta con la superficie mecanizada.
La Viruta La viruta es un fragmento de material residual con forma de lámina curvada
o espiral que se extrae mediante un cepillo u otras herramientas, tales como
brocas, al realizar trabajos de cepillado, desbastado o perforación, sobre madera o
metales. Se suele considerar un residuo de las industrias madereras o del metal;
no obstante tiene variadas aplicaciones.
Usos de la virutaLas virutas de madera, o serrín, se emplean para:
• Elaboración de tablas de madera aglomerada,
• Embalaje y protección de paquetes,
• Material de aislamiento,
• Compost en jardinería.
• Lecho para mascotas o ganado
• Elaboración de "Muñecos para Años Viejos"
Las virutas de metal normalmente se reciclan en nuevo metal.
Formación de virutaEn el estudio de la formación de viruta se va a suponer que la herramienta
es un diedro que desliza sobre la superficie que está generando. Esta superficie
está un poco por debajo de la superficie de la pieza original, de forma que su
movimiento provoca el desprendimiento de la viruta del material base. La
intersección de los dos planos del diedro es una recta que es el filo S de la
herramienta. Las dos caras de este diedro son:
Cara de incidencia o flanco de la herramienta A
, que es el plano más cercano a la superficie generada
Cara de desprendimiento A
que es el plano por el que desliza la viruta
Esta herramienta desliza sobre la superficie con una velocidad que es la
velocidad de corte, se puede definir como la velocidad instantánea del movimiento
de corte respecto la pieza y suele medirse en m/min.
Imagen: Tipos de Viruta
CONCLUSIÓN
La Termodinámica estudia, interpreta y explica las interacciones energéticas
que surgen entre los sistemas materiales formulando las leyes que rigen dichas
interacciones. Una de las grandes diferencias entre la mecánica y la
termodinámica es que según la primera toda la energía se puede convertir en
trabajo, pero de acuerdo a la segunda sólo una pequeña parte de la energía se
convierte en trabajo.
El corte de los metales tiene como objeto eliminar en forma de viruta,
porciones del metal de la pieza a trabajar, con el fin de obtener una pieza con
medidas, forma y acabado deseado.
BIBLIOGRAFÍA
Medina, Rodrigo A. Resumen de Termodinámica, Departamento de
física, USB. 2010.
Howell, Jhon R. y Buckius, Richar O. Principio de la termodinámica
para ingenieros.
Referencias Electrónicas.
www.fis.usb,ve/TermoRM
www.jfinternacional.com/mf/termodinamica/html
www.saber.ula.ve/bitstream
