Carrito A Vapor Proyecto Final CAF3 jacob PDF

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ“COMPRENSIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN CARRO DE VAPOR”TRABAJO DE INVESTIGACION SOBRE LA APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN CARRO DE VAPOR DEL CURSO CÁLCULO APLICADO A LA FÍSICA 3 PROFESOR:RAMOS TORRES, JOHN JERSONSECCIÓN: 4812AUTO...

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

“COMPRENSIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN CARRO DE VAPOR” TRABAJO DE INVESTIGACION SOBRE LA APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN CARRO DE VAPOR DEL CURSO CÁLCULO APLICADO A LA FÍSICA 3 PROFESOR: RAMOS TORRES, JOHN JERSON

SECCIÓN: 4812

AUTOR: ARANGO RAMOS, ENZO U18300910 CESAR HUAMAN, FREDY 1625643 AGUIRRE JESUS, FRANNS U18300811 AQUINO DE LA CRUZ, JESUS

U19215438

CABRERA SANTIAGO, JACOB U19215745

LIMA, PERÚ 2021 1

Índice 1.

RESUMEN..................................................................................................................................... 2 Palabras Claves:............................................................................................................................. 3

2.

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................... 3

3.

DESCRIPCION DEL PROYECTO.............................................................................................3 3.1

OBJETIVOS..........................................................................................................................4

3.1.1

Objetivo General...........................................................................................................4

3.1.2

Objetivo Específico.......................................................................................................4

3.2

Alcances y Limitaciones.......................................................................................................4

3.3

Marco Teórico........................................................................................................................5

4.

GASES IDEALES:.......................................................................................................................8

5.

PROCESOS TERMODINÁMICOS:...........................................................................................9

6.

TIPOS DE PROCESOS...............................................................................................................9 6.1 Proceso Isobárico......................................................................................................................9 6.2 Proceso Isotérmico..................................................................................................................10 6.3

Proceso Isocórico...............................................................................................................11

6.4

Proceso Adiabático.............................................................................................................12

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1. RESUMEN Se elaboró un carrito a vapor, con el objetivo de comprender la primera ley de la termodinámica, se ha construido con base de metal el cual se fijará en la base del chasis del carro para que este no se pueda encender. De modo que, para fijar las canaletas presenta en una sección trasversal tipo “C”, por lo tanto, diferente a ello se ha utilizado un carro de juguete con la finalidad de evaporizar el agua con el calor que genera y es generado por las llamas que produce el alcohol con algodón, al prender fuego calentando dicha botella. La finalidad de este proyecto es lograr el objetivo y se desplace el carrito con mayor presión alcanzando su temperatura, es decir, a partir de la ebullición del agua este hecho tiene por finalidad su funcionamiento que es la primera ley de la termodinámica. Además, esto hace que se mueva el carro, debido a la presión del gas que hay dentro del tanque del carro a vapor.

Palabras Claves: presion, combustion, termodinamica. 2. INTRODUCCIÓN Bueno en este proyecto, que se va a realizar, ya que viene a hacer el primer vehículo a vapor fue supuestamente construido en 1672 por Ferdinand Verbiest, un jesuita flamenco en China. El vehículo era un juguete para el emperador chino. Los primeros automóviles experimentales a vapor se construyeron a finales del siglo XVIII y XIX. El proyecto consiste en elaborar un carro a vapor con diferentes materiales a nuestro alcance. El objetivo es evaluar el calor que se requiere para mover el carro una cierta distancia, para poder llevar a cabo necesitaremos de la primera ley de la termodinámica, la segunda y la tercera ley de Newton. En nuestra vida cotidiana siempre hemos observado que, al calentar el agua en una olla a presión o tetera, el vapor de agua sale a gran velocidad de un orificio debido a la presión dentro de la olla. En el proyecto siguiente se presentará un carrito a vapor y se calculará la cantidad de calor que se le debe suministrar al carrito para que este

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pueda moverse de un lado a otro, debido a la presión del gas dentro del recipiente de metal.

3. DESCRIPCION DEL PROYECTO

Bueno, para elaboración nuestro proyecto, establecimos un plan de trabajo, el cual consistió en reunirnos como mínimo una vez por semana después de clase , realizábamos las reuniones por zoom, coordinamos la compra de materiales hasta y desarrollamos nuestras actividades en un punto de encuentro donde participamos todos ese punto fue el centro cívico que se encuentra ubicado por el campo de marte ,de tal manera que armemos la maqueta de CARRITO A VAPOR, se logró avanzar la primera parte del mismo ya que, al seguir avanzando se observó el primer funcionamiento. Además, adquirimos los conocimientos de las clases y lo ponemos en práctica junto a nuestro proyecto y demostrar la física.

3.1 OBJETIVOS

3.1.1

Objetivo General



Determinar los fenómenos físicos aplicando la primera ley de la termodinámica y la tercera ley de newton atravez de un carro a vapor

3.1.2

Objetivo Específico 

Demostrar el movimiento de un carro a una gran distancia en dirección recta con vapor.



Comprender y aplicar la primera ley de la termodinámica.



Comprender y aplicar la tercera ley de newton.

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3.2 Alcances y Limitaciones

El proyecto consiste en elaborar un carro a vapor con diferentes materiales a nuestro alcance. El objetivo es evaluar el calor que se requiere para mover el carro una cierta distancia, para poder llevar a cabo necesitaremos de la primera ley de la termodinámica, la segunda y la tercera ley de Newton.

En nuestra vida cotidiana siempre hemos observado, que, al calentar el agua en una olla a presión o tetera, el vapor de agua sale a gran velocidad de un orificio debido a la presión dentro de la olla. En el proyecto siguiente se presentará un carrito a vapor y se calculará la cantidad de calor que se le debe suministrar al carrito para que este pueda moverse de un lado a otro, debido a la presión del gas dentro del recipiente de metal.

3.3 Marco Teórico

El Carro a vapor fue una maquina construida por Newton en el año 1670. Una simple caldera montada sobre cuatro ruedas, la cual se desplazaba debido a la reacción que sobre el aire ejercía un chorro de vapor a presión. La posibilidad de la propulsión por reacción ha sido, teórica y prácticamente probada, siendo de notar que, fundada en este principio, funcionaba la eólica de Herón el año 130 A.C. En el año 1771 apareció en Francia un carro automóvil a vapor, que fue construido por Joseph Cugnot, el cual es conservado todavía en uno de los museos

de

Paris.

Han seguido otros inventores haciendo experimentos, pero la vida propiamente dicha del automóvil, no dio principio hasta que le fue aplicado el motor de combustión interna, siendo Gottlieb Daimler quien construyo el primero. El carro de este experimento el cual está compuesta por una lata metálica que hace el papel de una caldera, dentro de ella, el vapor producido al hervir el agua presiona en todas las direcciones; pero mientas las presiones superior e inferior se equilibran entre sí, la presión sobre la pared lateral no tiene presión contraria

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que la equilibre (puesto que por este lado el vapor sale libremente) y empuja al carro hacia adelante.

Primera Ley De La Termodinámica: La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa. Cuando se aplica la primera ley de la termodinámica es preciso reconocer que el calor (Q) suministrado en un sistema es positivo y el que lo expulsa negativo. El trabajo que realiza un sistema es positivo; el que se hace sobre un sistema es negativo. Un aumento de la energía interna es positivo; una disminución, negativa.

Criterio IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry Se considera positivo aquello que aumenta

la

energía

interna

del

sistema, o lo que es lo mismo, el trabajo recibido o el calor absorbido.

ΔU=Q+W

Criterio Tradicional:

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Se

considera

positivo

el

calor

absorbido y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno.

ΔU=Q−W

Donde

: Incremento

de

energía

interna del

sistema

: ( ∆U = Ufinal - Uinicial ). Su unidad de medida en el

∆U

Sistema Internacional es el julio ( J ) Calor intercambiado por el sistema con el entorno. Su Q

:

unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio ( J ), aunque también se suele usar la caloría ( cal ). 1 cal = 4.184 J Trabajo intercambiado por

W

el

sistema

: entorno. Su unidad de medida en el

con

el

Sistema

Internacional es el julio ( J )

Tercera Ley De Newton: La tercera ley de Newton establece que siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, este ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección pero en sentido opuesto sobre el primero. Con frecuencia se enuncia así: a cada acción siempre se opone una reacción igual, pero de sentido contrario. En cualquier interacción hay un par de fuerzas de acción y reacción situadas en la misma dirección con igual magnitud y sentidos opuestos. Esta tercera ley de Newton es completamente original (pues las dos primeras ya habían sido propuestas de otra manera por Galileo, Hooke y Huygens) y hace de las leyes de la mecánica un conjunto lógico y completo. Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección, pero con sentido opuesto. Si dos 7

objetos interaccionan, la fuerza F12, ejercida por el objeto 1 sobre el objeto 2, es igual en magnitud con misma dirección, pero sentidos opuestos a la fuerza F21 ejercida por el objeto 2 sobre el objeto1 Este principio presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su formulación original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el espacio de modo instantáneo, sino que lo hacen a velocidad finita "c". Este principio relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo demás, cada una de esas fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores leyes, esta permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y del momento angular.

Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton Algunos ejemplos donde actúan las fuerzas acción-reacción son los siguientes: 

Si una persona empuja a otra de peso similar, las dos se mueven con la misma velocidad, pero en sentido contrario.



Cuando saltamos, empujamos a la tierra hacia abajo, que no se mueve debido a su gran masa, y esta nos empuja con la misma intensidad hacia arriba.



Una persona que rema en un bote empuja el agua con el remo en un sentido y el agua responde empujando el bote en sentido opuesto.



Cuando caminamos empujamos a la tierra hacia atrás con nuestros pies, a lo que la tierra responde empujándonos a nosotros hacia delante, haciendo que avancemos.



Cuando se dispara una bala, la explosión de la pólvora ejerce una fuerza sobre la pistola (que es el retroceso que sufren las armas de fuego al ser disparadas), la cual reacciona ejerciendo una fuerza de igual intensidad, pero en sentido contrario sobre la bala.



La fuerza de reacción que una superficie ejerce sobre un objeto apoyado en ella, llamada fuerza normal con dirección perpendicular a la superficie.



Las fuerzas a distancia no son una excepción, como la fuerza que la Tierra ejerce sobre la Luna y viceversa, su correspondiente pareja de acción y reacción

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4. GASES IDEALES:

Los gases están compuestos de un sin número de moléculas energéticas de gas que pueden chocarse y relacionarse entre ambas. Representar de una manera precisa un gas real es dificultoso, por eso se creó el concepto de gas ideal como un acercamiento que nos ayudara a modelar y predecir la conducta de los gases reales. Las moléculas de un gas ideal no se atraen o repelen entre ambas y no ocupan volumen alguno. La ley del gas ideal predice cómo se comportan la mayoría de los gases reales a temperatura y presión ambiente. Ley del Gas ideal

PV=nRT P= Presión del gas V= Volumen n= Número de moles del gas R= Constante de los gases ideales T= Temperatura

5. PROCESOS TERMODINÁMICOS: Los procesos termodinámicos comprenden el comportamiento y la semejanza que se da entre la presión, temperatura y volumen. A partir del enfoque de la termodinámica, estas transformaciones deben pasar desde un estado de equilibrio inicial a otro final; esto quiere indicar, que las magnitudes que sufren una variación al atravesar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta manera los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como la consecuencia de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna unión entre ellos, de forma que por último los sistemas se encuentren en equilibrio entre sí.

6. TIPOS DE PROCESOS.

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Un proceso termodinámico es la evolución de unas determinadas propiedades, las cuales se las denomina propiedades termodinámicas, en relación a un determinado sistema termodinámico. Para poder estudiar un proceso termodinámico se requiere que el sistema esté en el equilibrio termodinámico en el punto inicial y final del proceso, es decir que las Q=U + PV Donde : : Calor transferido al Q sistema : Energia interna U : Presion (Constante) P : Volumen V

magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar completamente definidas en sus estados inicial y final.

6.1 Proceso Isobárico Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables. En este proceso es cuando hay una variación de volumen o temperatura y la presión permanece constante no importando si el gas sufre comprensión o expansión.

Regido por la ley de Charles. Según la ley de Charles, para una masa fija de gas ideal a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura de Kelvin.

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6.2 Proceso Isotérmico Un

proceso

isotérmico

es

una transformación

termodinámica a

temperatura

constante, es decir, una variación del estado de un sistema físico durante el cual la temperatura del sistema no cambia con el tiempo.

Los procesos isotérmicos son de especial interés para los gases ideales. Esto es una consecuencia de la segunda ley de Joule que establece que la energía interna de una cantidad fija de un gas ideal sólo depende de la temperatura.

Este proceso se rige por la ley de Boyle-Mariotte de Robert Boyle (1626-1691), Físico Químico Edme Mariotte (1620-1684), Físico Francés que descubrió la ley que relación la presión y el volumen de los gases a temperatura constante.

∆U = q + W Donde :

Se convierte en.

q

Cambio interna : Calor

W

: Trabajo

∆U

:

de

q = -W

energia

6.3 Proceso Isocórico

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Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Si el volumen de un gas permanece constante (proceso isocórico) para una cierta masa de un gas, su presión absoluta varía directamente proporcional a la temperatura. Es decir, todo calor que transfiere al sistema se sumará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura. Joseph Gay – Lussac, científico francés, realizó trabajos similares que Charles (proceso isobárico).

De la primera ley de la termodinámica

Q=W +∆ U Si W = 0 (proceso isocórico) Entonces Por lo tanto,

Q=0+∆ U Q=∆U

6.4 Proceso Adiabático Un proceso adiabático es un proceso termodinámico en el cual no existe intercambio de calor entre el sistema y el medio externo. Durante un proceso adiabático para un gas perfecto, la transferencia de calor hacia el sistema o proveniente de él es cero. El cambio de presión con respecto al volumen obedece la ley.

Es cuando un sistema no gana ni pierde calor, es decir, Q = 0. Este proceso puede realizarse rodeando el sistema de material aislante o efectuándolo muy rápidamente, para que no haya intercambio de calor con el exterior.

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En consecuencia: U2-U1 = -W

El trabajo realizado sobre el sistema (-W es positivo) se convierte en energía interna, o, inversamente, si el sistema realiza trabajo (-W es negativo), la energía interna disminuye. En general, un aumento de energía interna se acompaña de uno de temperatura, y una disminución de energía interna se asocia de una de temperatura.

7. Resultados: 

Materiales: -

1 lata de refresco sin abrir Algodón Alcohol Alambres Fosforo Estructura del carro de juguete Jeringa Agua 13



Análisis: -

Tiempo que calienta el carrito: 6 min Temperatura del aire: 28 °C Distancia Recorrida del carrito: 1m 10 cm Tiempo por distancia T 1 seg 2 seg 3 seg 4 seg

D 35 cm 30 cm 25 cm 20 cm

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8. Conclusiones   



Antes de que saliera el vapor del carrito, todo el calor que recibe el sistema se utiliza para aumentar la energía interna, por ello deber estar bien tapado para que no se escape el vapor. A mayor temperatura que se concentra el calor en el carrito a vapor, será mayor la energía e impulso que tendrá el carrito al ser soltado. Los materiales usados se pueden conseguir fácilmente, ya que son materiales reciclables y económicos. Se identificó que la cantidad de agua cumple un papel muy importante en la velocidad d...