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“MAQUINA TERMICA DE VAPOR” Laboratorio de termodinámica

Diego Hernández Mejía, Universidad Nacional de Colombia _ Sede Medellin [email protected] RESUMEN – Las maquinas térmicas son sistemas capaces de generar trabajo a partir del suministro de calor por medio de algún combustible. En este caso, etanol. A partir de este combustible se libere una energía química con la combustión, de ahí generamos energía térmica que finalmente se convertiría en trabajo útil, dándole así al agua energía potencial. No toda la energía empleada en el sistema genera trabajo útil, ya que parte de esta energía se pierde en forma de calor en los alrededores de allí el concepto de eficiencia que es la fracción de entrada de calor que se convierte en la salida de trabajo neto.

PALABRAS CLAVE – eficiencia térmica, poder calorífico, calor, energía potencial, energía química esta ley, Charles dice que para una cierta cantidad de gas FUNDAMENTO TEÓRICO – Una máquina térmica es a una presión constante, al aumentar la temperatura, el un dispositivo que convierte energía térmica en otras volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el formas útiles de energía, como la energía eléctrica y volumen del gas disminuye. mecánica. Hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual: Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura. MONTAJE EXPERIMENTAL Con este montaje la idea era ilustrar una maquina térmica  La máquina realiza un trabajo y ver todos los procesos por el cual se llegaba finalmente  Libera calor a una fuente a temperatura más baja. al trabajo útil. Inicialmente, se llenó el mechero con Etanol puro como combustible el cual tiene un poder Los conceptos básicos en el proceso de una maquina calorífico de 26790KJ/Kg, se prendió la mecha y se puso térmica son el calor, la energía, el trabajo y la eficiencia. debajo del primer Erlenmeyer que tenía una masa de362,6 Calor: Es la forma de energía que se transfiere entre dos gr , este mechero proporciona la energía de entrada al sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una sistema (energía química), con la que se pretende diferencia de temperatura. realizar el trabajo de elevar una cantidad de agua a Energía: Es una magnitud física que se presenta bajo una determinada altura. Luego el agua se evaporiza y diversas formas, está involucrada en todos los procesos de por medio del tubo aumenta la presión del segundo cambio de estado físico, se transforma y se transmite. Erlenmeyer que empuja el agua hacia arriba para llenar el Trabajo: Es el producto de una fuerza por la distancia tercer recipiente donde se realiza el trabajo. Al terminar el que recorre su punto de aplicación por el coseno del experimento volvemos a pesar el mechero para medir la ángulo que forman el uno con el otro. masa consumida y el volumen del tercer Erlenmeyer para Eficiencia: Es el cociente entre el trabajo obtenido y el saber cuánto trabajo útil se realizó. trabajo suministrado. Poder Calorífico: Es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación (quedan excluidas las reacciones nucleares, no químicas, de fisión o fusión nuclear, ya que para ello se usa la fórmula E=mc²). Principios de Termodinámica empleados en una Máquina Térmica Primer Principio Q = W + ΔU ; Rendimiento nunca es 100% Segundo Principio Es imposible la transferencia de calor de un foco frio a otro caliente. Ley de Gay Lussac Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa. En

Figura 1 – Montaje Maquina térmica de vapor Esta figura representa el montaje de la máquina de vapor de jeronimo de Ayanz. Actividad: Para empezar se determinan las condiciones iniciales del sistema, como lo son la masa del combustible, la temperatura del agua de la caldera, el volumen del agua de la caldera; además de medir la longitud por la que va a ascender el agua desplazada. Una vez registradas las condiciones iniciales se procede a encender la mecha con la que se va a calentar el agua de la caldera; con el aumento de la temperatura interna y por la ley de Gay Lussac1, la Presión del vapor de agua aumenta y desplaza el agua depositada en el balón a

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través del tubo hasta el recipiente. Se pretende medir la eficiencia global (la del mechero) y la eficiencia térmica (la que ganó el agua para realizar el trabajo).

𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑀𝐻20𝐷 𝐺𝐻 𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 = 0.064𝐾𝑔 ∗ 9.8

(3) 𝑚 ∗ 0.21𝑚 = 0.131712𝐽 𝑠2

Condiciones Iniciales: Entonces la eficiencia global es: Patm = Mi(e) = Vi (e) = Ti = Mi(H2O) = Vi (H2O) = H1(H2OD) =

636mm Hg 362.6gr 286.09ml 36°C 50g 50ml 21cm

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐺 =

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐺 =

𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 (100%) 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑚𝑖𝑐𝑎

0.131712𝐽 (100%) = 0.000245% 53600𝐽

2. Calculo de eficiencia térmica Datos finales: Mf(e) = Vf (e) = Tf = Mf(H2OD) = V(H2OD) = H2(H2OD) =

Antes de calcular la eficiencia térmica tengamos en cuenta: La energía química se transforma en energía térmica o calor: Ce = Calor específico del agua. Ce = 4.18KJ/kg. °𝐶

360.6gr 284.51ml 99°C 64gr 64ml 16cm

∆𝑇(°𝐶) = (96 − 36) = 60°𝐶 𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑄 = 𝑀𝑖(𝑎𝑔𝑢𝑎) 𝐶𝑒 ∆𝑇

Cálculos

1. Eficiencia global del Sistema.

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐺 =

𝐸 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝐸 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎

𝐸𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 0,05𝑘𝑔 ∗

(100%)

4,18𝐾𝑗 ∗ 60°𝐶 𝑘𝑔. °𝐶

(1) 𝐸𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 12.54𝐾𝐽

La energía que tiene inicialmente el sistema está representada en la energía química del combustible. E química= Energía que suministra el combustible. Entonces tenemos que la eficiencia térmica es: La masa de combustible que empleo el sistema fue: ∆𝑀 = 𝑀𝑖(𝑒) −𝑀𝑓(𝑒) = 0.3626𝐾𝑔 − 0.3606𝐾𝑔 = 0.002𝐾𝑔 𝐸. 𝑞𝑢𝑖𝑚𝑖𝑐𝑎 = ∆𝑀 ∗ 𝑃𝑐(𝑒) 𝐸. 𝑞𝑢𝑖𝑚𝑖𝑐𝑎 = 0.002𝐾𝑔 ∗ 26800

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇 =

𝐸𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝐸𝑞𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑎

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇 =

(2) 𝐾𝐽 = 53.6𝐾𝐽 𝐾𝑔

(100%)

(6)

12.54𝐽 ∗ 100% 53580𝐽

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇 = 0.023%

𝐸. 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 53.6 𝐾𝐽

La energía que sale del sistema se puede calcular con la altura H=0.21m, Y con la masa del agua desplazada que me sirve para hallar la energía potencial. 𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎𝐷 𝐺𝐻 𝑚 Donde 𝐺 = 9.8 2 𝑠 H=0.21m

FUENTES DE ERROR - Se exponen las que se cree son causas de error en las medidas o que sean implícitas del método o la naturaleza: 1.

Al determinar las condiciones iniciales del sistema, como lo son la masa del combustible, la temperatura del agua de la caldera, entre otras el error más frecuente consiste en la toma de estos datos iniciales ya que está sujeto a la vista de

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quien tome la medida, es decir no hay un 100 % de precisión en la medida

2. los resultados también pueden verse alterados ya que en ocasiones se utilizan los mismos componentes de la práctica anterior, es decir no se cambia el agua y esta ya está alterada en temperatura. 3.

Otro aspecto importante que influye en el resultado final es la presión atmosférica y el grado de temperatura del lugar donde se realice el laboratorio.

CONCLUSIONES 

En la maquina térmica se obtiene una eficiencia de 16.82%, lo cual es muy bajo. Es decir tan solo el 16.82% es convertido en trabajo útil.

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La Eficiencia global del Sistema 0.0015%, lo que nos lleva a pensar que el sistema tiene demasiadas deficiencias.

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En la búsqueda de mejores resultados se sugiere la utilización de elementos de medida más exactos que ayuden a mitigar los errores.

REFERENCIAS

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http://didactica.fisica.uson.mx/tablas/densid ad.htm