391709603 Informe Fisica II Motor a Vapor pdf PDF

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Nad que se supone q pongamos en una descripción muy larga la verdad hay q cambiar lo q quieren q pongamos por favor ya parenl...

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Motor a vapor Héctor Caballero Villarroel, Javier Edgardo Millalonco, Josue Pavéz Arancibia Ingeniería Naval Física II Para Ingeniería Profesora: Utreras san Martin Paola Andrea Departamento de física, Universidad Austral de Chile Fecha entrega: viernes 20 de enero del 2012 En este informe se presentan los fundamentos teóricos de un experimento sobre la propulsión a vapor como medio de aplicación de los principios de la termodinámica. El experimento consiste en la generación de vapor en un recipiente cerrado, la aplicación de calor para aumentar la presión y la liberación a través de un pequeño agujero, la conducción del vehículo en el que está montado el sistema. Descriptores: Experimento, Termodinámica

This report will present the theoretical foundations of an experiment on steam propulsion as a means of applying the principles of thermodynamics. The experiment is to generate steam in a closed container, applying heat to increase pressure and then release it through a small hole, driving the vehicle in which the system is mounted. Keywords: Experiment, Thermodynamics 1.

Introducción.

Si bien desde la antigüedad se ha observado que el vapor puede usarse para propulsar un objeto, como en el caso la eolípila de Herón de Alejandría (siglo I), no fue aprovechado para impulsar maquinaria hasta el siglo XVII y de manera extendida desde el final del siglo XVIII, luego de que James Watt perfeccionara su máquina de vapor, permitiendo la transformación eficiente de la energía térmica en energía mecánica, La máquina de vapor, se empleó de forma activa durante el desarrollo de la Revolución Industrial; aquí tuvo un papel fundamental ya que se utilizaba para mover diversas máquinas tales como locomotoras, bombas, motores marinos, etc. Actualmente, la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco empleado para servicios auxiliares, ya que se ha vista desplazada por lo que conocemos, en la máquina industrial, como el motor eléctrico y por el motor de combustión interna en el transporte. En el experimento que se planteará se podrá confirmar de forma

empírica la capacidad del vapor para ejercer un trabajo al convertir una parte de su energía calórica en trabajo.

2.

Problema.

Describir y fundamentar, usando los principios de la termodinámica, la forma en que el vehículo es impulsado por el vapor. Se despreciarán las fuerzas de roce. 3.

Objetivo.

Demostrar experimental y teóricamente que se puede usar la presión del vapor de agua para generar una fuerza (lo que hace posible el funcionamiento de la máquina de vapor). 4.

Descripción experimental.

En el experimento de manera general se aprovecha del principio de acción y reacción

Para mover el barco, no obstante existen variables de la mecánica de fluidos como la presión y variables termodinámicas como el calor que ayudan a este proceso. El agua que se encuentra presente en el interior del contenedor metálico, al calentarse por la transmisión de calor de las velas (se calienta el aire alrededor del contenedor y a la vez Calienta el contenedor), pasa a estado gaseoso (vapor) y aumenta la presión en el interior del contenedor (Cambio de fase). Durante esta etapa el recipiente permanece totalmente sellado y por tanto no se mueve debido a que las presiones en cada punto del recipiente son contrarrestadas totalmente por las presiones que empujan en dirección opuesta y que tienen el mismo valor, mientras que cuando se le practica un agujero al recipiente la presión que antes se ejercía en esa área (de la abertura) desaparecerá y en consecuencia habrá más empuje en el lado posterior. Cuando el vapor comienza a salir por la vía de escape (el vapor sale de su contenedor para moverse a una región de menor presión) produce un empuje sobre el recipiente, empuje que hará que el montaje se desplace en sentido opuesto a la dirección que toma el vapor que se escapa, la acción es el agua presente en el interior del contenedor al calentarse por transmisión de calor de la llama, esta pasa a estado gaseoso ( vapor ) y aumenta la presión en el interior del contenedor y la reacción es el vapor a presión que sale por el escape del contenedor, produciendo un impulso al salir por este y provocado que el barco se mueva, cuando el barco se mueva se va a producir un trabajo, ese trabajo va a ser igual a la variación de energía cinética, ya que como el barco se mueve por una cierta distancia, hay una fuerza que permite que todo eso se realice y esa fuerza es la presión que sale por el escape del contenedor 5.

Descripción Teórica

A continuación se hace un resumen para recordar los principales conceptos involucrados en el la ley de acción-reacción, trabajo, termodinámica, después se analizara las observaciones en el experimento. Tercerá ley de Newton: Explica las fuerzas de acción y reacción, estas fuerzas son iguales pero contrarias. Esto significa que siempre en que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro

este también ejerce una fuerza sobre él. Se nombra fuerza de acción a la que es ejercida por el primer cuerpo que origina una fuerza sobre otro, por lo tanto se denomina fuerza de reacción a la que es originada por el cuerpo que recibe y reacciona con esta otra fuerza sobre el primer cuerpo 𝑑𝑃2 𝑑𝑃1 = − = 𝐹12 = − 𝐹21 𝑑𝑡 𝑑𝑡 Trabajo: se define como el traspaso energía para mover un cuerpo una cierta distancia 𝑊 = 𝐹 ∗ 𝑑 = 𝐹𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃 El teorema del trabajo-energía indica que el trabajo de la resultante de las fuerzas que actúa sobre una partícula modifica su energía cinética 𝑊 = ∆𝐾 =

𝑚𝑣2𝑓

−

2

𝑚𝑣𝑜2 2

Equilibrio Térmico: 2 cuerpos están en equilibrio térmico cuando tienen la misma Tº, básicamente el objeto que tenga más calor se le traspasa al que menos calor: 𝑄𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑅𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 Calor específico: Calor que se le debe suministrar a un cuerpo para que 1 gr de sustancia eleve su Tº 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑡 Calor latente o el calor de cambio de estado: es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).Calor de vaporización: 𝑄 = 𝑀𝑚𝑎𝑠𝑎

𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

∗ 𝐿𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛

1º Ley de la Termodinámica: de manera general, cuando se agrega calor a un sistema, una parte de la energía agregada permanece en el interior, modificando su energía interna, el resto sale del sistema cuando este efectúa un trabajo 𝑄−𝑊 = ∆∪ ( 1º 𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 )

Máquina térmica: Es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina 2º Ley de la Termodinámica: Básicamente lo que dice es que toda energía que entra en un Sistema y que efectué trabajo, se produce una pérdida de energía. 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 = 𝑊 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 ( 2º 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 ) El rendimiento térmico de una máquina térmica: es un coeficiente calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo). 𝜂=

𝑊 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜

𝑊 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 − 𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 5.1 Estimación respecto al experimento Tenemos que mencionar que la maquina térmica con la cual se está experimentando es de la forma más simple teórica, que al agregarle calor a nuestro sistema, esta va a experimentar una pequeña perdida de energía en lo que es calentar el contenedor donde se encuentra el agua, en calentar el agua y cuando el vapor de agua sale del contenedor, cuando sucede esto se produce un trabajo que su vez usa la 3º ley de newton para producir el movimiento ( tenga una idea de un avión con propulsión a chorro )

Nuestra maquina térmica experimental consta de lo siguiente materiales: -

2 Latas de aluminio 4 vela 1 pinche Cartón Cinta aisladora Olla

Lo que se hizo fue cortar las 2 latas de aluminio por la mitad, luego las bases de las latas se unieron y se pegaron para que de esa manera quedara un contenedor sellado sin escape, luego con el pinche se hace un agujero de área muy pequeña en la parte de abajo del contenedor, se le agregan 60 gr de agua y luego se tapa el agujero con el mismo pinche usando cinta aisladora. Por otra parte, se toma la parte de arriba de una de las latas, se le pega un trozo de cartón en la base y se le rodea de cinta hiladora para que no entre el agua, luego dentro de la parte de la lata se le colocan 4 velas encendidas y se coloca encima de una olla con agua (no llena solo un poco de agua para que flote), luego se toma el contenedor sellado y se coloca horizontalmente encima de la lata donde se encuentra las 4 velas y esperamos a que las velas evaporen toda el agua, soltamos el pinche con la cinta aisladora y se apreciara que el vapor sale de manera fuerte por el agujero haciendo que el “ bote “ se mueva muy lentamente gracias a la 3º ley de newton Analizando el experimento en el sentido termodinámico, primero vamos a calcular la energía con que entra al sistema, la cual estaría representada por la energía necesaria para calentar el agua (calor latente) y la energía para evaporarla, Trabajaremos con los siguientes datos:

𝑇𝑜 = 23º 𝐶

𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 100º 𝐶 𝑀𝐴𝑔𝑢𝑎 = 60 𝑔𝑟 𝐽 𝐶𝐴𝑔𝑢𝑎 = 4186 𝑘𝑔 ∗ º𝐶 𝐽 𝐶𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 = 2010 𝑘𝑔 ∗ º𝐶 𝐽 𝐿𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 2257 𝐾𝑔 Figura 1. Maquina Térmica

Entonces: 𝑄1 = 0.06 𝑘𝑔 ∗ 4186

calentar el recipiente, al entra en contacto con el aire: 𝐽 ∗ 77º𝐶 = 19.339,32 𝐽 𝑘𝑔 ∗ º𝐶

𝑄2 = 0.06 𝐾𝑔 ∗ 2257

𝐽 = 135,42 𝐽 𝑘𝑔

𝑄𝐻 = 𝑄1 + 𝑄2 = 19.474,74 𝐽 Hasta ahora en nuestro contenedor sellado se le está agregado calor para que el agua se evapore mientras ocurre esto la energía interna del contenedor es igual al calor que se le está entregando (QH = ∆U) y como se encuentra

𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 − 𝑊 = 19.474,73 J

Esa es la cantidad de energía que se pierde en todo este proceso, ahora vamos a calcular el rendimiento térmico de nuestra maquina térmica: 𝜂=

=

𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 − 𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜

=

19.474,74 𝐽 − 19.4 74,73 = 5.13x10−7 19.474,74 𝐽

sellado no ocurre ningún tipo de trabajo. Pasa un cierto tiempo y el contenedor está lleno de vapor que esta una fuerte presión, en este caso el volumen se mantiene constante ya que los 60 gr de agua, ahora son 60 ml, por tanto hay un aumento de presión y con ello un aumento en la energía interna del sistema, lo que se hace a continuación realizarle un agujero al contenedor de área muy pequeña para que el vapor salga, cuando ocurre esto, se produce un trabajo que hace mover al bote, vamos calcular el trabajo que se realiza, para métodos prácticos, se dirá que la Velocidad = 0.05 m/s y la masa del bote es igual a 0.13 Kg 1 𝑊 = ∗ 0.13 𝐾𝑔 ∗ (0.05 𝑚/𝑠)2 = 1.625 𝑥 10−4 𝐽 2

Como se le está entrando calor al sistema y este efectúa trabajo, tanto el calor entregado como el trabajo son positivos, ahora se calculara cuando es la variación de energía interna del sistema usando la 1º ley de la termodinámica: ∆ ∪ = 𝑄 − 𝑊 = 19.474,73984 J Con eso se demuestra que cada vez que entre calor a un sistema y este realice algún tipo de trabajo, hay un cambio en la energía interna del sistema, ahora así como calculamos cuanta energía se le entrego, vamos a ver cuanta energía también se perdió, ya que usando la 2º ley de la termodinámica, siempre que se entrega calor a un sistema y que este efectúa trabajo, siempre hay una pérdida de energía, en este caso se dio al calentar el agua, al

𝑊 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜

6.

Observaciones finales

La eficiencia del experimento con los datos obtenidos nos arroja un valor muy pequeño, para este ejemplo en particular es una maquina térmica simple que si funciona pero a un nivel muy bajo, llevado a manera más amplia, las maquinas a vapor funcionan de manera optima siguiendo procesos y ciclos termodinámicos en base a este principio, se genera un trabajo efectuado por un traspasó de calor que a su vez este produce un cambio en la energía interna del sistema que a su vez se genera una pérdida de energía, para los motores a vapor actuales, se tiene un proceso termino en el cual la presión se mantiene constante esto implica que hay un trabajo efectuado por un cambio de volumen, en el caso del motor que tiene una caldera en el cual el vapor sale por unos tubos y llegan a un contenedor donde se encuentra un pistón, las partículas de vapor van hacer que el pistón se expanda ( realizando las partículas trabajo positivo )o comprima ( realizando trabajo negativo ) , gracias a este movimiento el pistón va unido a un sistema de ruedas ( tren a vapor ), hélice ( barco a vapor ) o lo que se requiera ocupar

1.

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