Proyecto de barco a Vapor PDF

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Proyecto final de física 2 sobre termodinámica...

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Física II

Proyecto Problema de Transporte Tema Termodinámica

Profesor Marco Aguilar Rojas

Estudiantes Adrián Brenes Flores (Ingeniería Química Industrial) Diana Vanessa Martínez Córdoba (Ingeniería en Salud y Seguridad Laboral) Jenia Quintero Montero (Ingeniería de Circuitos y Sistemas Electrónicos) Kimberline Stephanny Cárdenas Reyes (Ingeniería Química Industrial)

San José, Costa Rica II CO, 2020

Contenido

Introducción

3

Objetivos

4

Alcance

5

Marco Teórico

6

Resultados Conclusión

17

Bibliografía

18

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1. Introducción Brevemente se describe cómo este tema es de relevancia en las profesiones de los participantes del presente proyecto: En la carrera de Ingeniería Salud y Seguridad Laboral el aporte que dará este proyecto es entender las leyes, la teoría y su funcionalidad en equipos, se puede hacer más conciencia en las energías presentes en los equipos que pueden provocar un accidente laboral a un colaborador. En la Ingeniería de Circuitos y Sistemas Electrónicos es de suma importancia la comprensión de la termodinámica porque una de las ramas de termodinámica es la termoelectricidad ya que es el principio para la creación de diferentes componentes eléctricos como procesadores, microprocesadores, memorias y condensadores que son dispositivos de más importancia de esta carrera. En la ingeniería química se utilizan distintas máquinas para agilizar muchos de los procesos que se realizan en el laboratorio. Por ejemplo: la cámara de gases, agitadores magnéticos o muflas son máquinas que tienen motores con un sistema de control térmico para controlar las temperaturas y evitar la avería de estas máquinas. Por lo que la termodinámica en las máquinas es una de las razones que facilita la realización de procesos para los ingenieros químicos.

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2. Objetivos Objetivo General Analizar la problemática de contaminación producida por el monóxido de carbono (CO) a través de los transportes náuticos, aplicando la primera ley de la termodinámica, examinandolo por medio de dos maquetas construidas de materiales reciclables.

Objetivos Específicos ● Describir el cumplimiento de las leyes de Termodinámica aplicada en el experimento ejecutado. ● Medir la eficacia del motor termodinámico de un barco por medio de dos modelos. ● Comprobar la primera ley de la termodinámica mediante la realización de un vehículo con motor a vapor.

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3. Alcance El alcance de este proyecto es aplicar las fórmulas y la teoría de la Termodinámica en un problema de transporte.

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4. Marco Teórico La Termodinámica es la rama de la física que trata sobre la energía y la materia, como de las leyes que rigen sus interacciones. Cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Esta afirmación se conoce como “principio cero de la termodinámica.” La escala de temperaturas Celsius utiliza la unidad grado Celsius (ºC), que tiene la misma magnitud que el Kelvin. Así las diferencias de temperaturas son idénticas en ambas escalas. Sin embargo, el punto cero de la escala Celsius coincide con 273,15 K, como se ve en la siguiente relación: t(ºC) = T(K) - 273,15 El calor se define como el proceso a través del cual la energía se transfiere entre un sistema y su entorno como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellos (Es la cantidad Q de energía transferida a través de dicho proceso). Denominaremos pared adiabática a aquella que resulta impermeable al calor (no permite que el calor se transmita entre dos regiones a distinta temperatura) y pared diatérmana a aquella que es conductora del calor. La unidad de calor en el S.I es el Joule. Antiguamente se utilizaba la Kilocaloría resultando: 1 kcal = 4,186 KJ = 4186 J el calor y el trabajo son las formas de energía que no poseen los cuerpos, sino que representan cantidades de energía transferidas entre los mismos, a través de diferentes procedimientos. Si durante la absorción de calor, un sistema experimenta un cambio de temperatura, se define como capacidad calorífica media del sistema a: C=QΔT A la capacidad calorífica por unidad de masa se la conoce como calor específico, que es una característica del material del que está constituido un cuerpo Q=mcΔT Si en lugar de la masa se utiliza el mol, se define la capacidad calorífica molar

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Q= n·ΔT·Cm La transmisión del calor de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos (o menos calientes) se efectúa en tres formas: a- Conducción: transmisión de energía provocada por la diferencia de temperatura entre partes adyacentes de un cuerpo b- Convección: se presenta cuando objetos que están a diferentes temperaturas, se encuentran en contacto con un fluido b- Radiación: la emisión continua de energía desde la superficie de todos los cuerpos; esta energía se denomina radiante y es transportada por ondas electromagnéticas

Desde el punto de vista de Jiménez (2016), la primera ley de la termodinámica “describe la relación entre el trabajo, el calor y la energía interna de un sistema”. En donde dicha energía no se crea ni se destruye solo se transforma.

Imagen 1. Fuente: HRCultura

Esta ley establece una relación entre la energía interna del sistema y la energía que intercambia con el entorno en forma de calor o trabajo. La primera ley de la termodinámica suele escribirse como: Q = ∆U+ W

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Como expresa Jiménez (2016), los signos del calor y el trabajo en la termodinámica son:

● Un valor positivo de Q representa flujo de calor hacia el sistema, con un suministro de energía correspondiente. Un Q negativo representa flujo de calor hacia afuera del sistema. ● Un valor positivo de W representa trabajo realizado por el sistema contra el entorno, como el de un gas en expansión y, por lo tanto, corresponde a la energía que sale del sistema. Un W negativo, como el realizado durante la compresión de un gas, cuando el entorno realiza trabajo sobre el gas, representa energía que entra en el sistema.

 Imagen 2. Fuente: FISIMAT

I magen 3. Fuente: FISIMAT

Por otra parte, según Serrano, A. & Martín, T. (2014), las máquinas térmicas son dispositivos que convierten el calor en trabajo. Para ello utilizan una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. De acuerdo con el material brindado en la clase de Física General II, cualquier dispositivo que convierta calor en energía mecánica se denomina motor térmico, d onde cierta cantidad de materia, sustancia activa, de manera cíclica sufre diversos procesos térmicos y mecánicos (adición o sustracción de calor, expansión, compresión y cambio de fase).

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En general, un motor térmico absorbe calor de un foco a temperatura alta, realiza un trabajo mecánico y cede calor a un foco a temperatura inferior.

Imagen 4. Fuente: CC BY-SA 4.0

Fórmulas para desarrollar los cálculos del proyecto experimental:

Energía Cinética Es aquella que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento. Su fórmula es: Ec =

1 2

mv 2

Teorema de Trabajo y Energía En ausencia de fuerzas no conservativas, el trabajo hecho por la resultante de fuerzas externas sobre un cuerpo de masa m es igual al incremento en la energía cinética del cuerpo. Su fórmula es: W = K - Ko = ΔK

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Calor Específico La cantidad de calor (Q) necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia es proporcional a la masa (m) de la sustancia y al cambio en su temperatura (ΔT). Su fórmula es: c=

Q m (ΔT )

Verificación del Teorema de Trabajo y Energía En la parte mecánica se procederá a comprobar el cumplimiento del Teorema de Trabajo y Energía para el movimiento de los barcos con la siguiente fórmula:

Donde: ● W = Es el trabajo realizado por la fuerza neta actuando sobre cada barco. ● ∆Ec = Es el cambio en la energía cinética de la partícula si esta se mueve en dirección horizontal (no hay cambio en la energía potencial). ● FN = Es la fuerza neta que actúa sobre los barcos = Fe-f. ● Fe = Es la fuerza de empuje debida a la caldera. ●

f = Es la fuerza de fricción del agua sobre los barcos.

● v = Es la velocidad de la partícula en régimen estacionario. ● vo = Es la velocidad inicial.

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● ∆x = Es la distancia en la que actúa la fuerza neta hasta antes de que se vuelva la velocidad constante.

En este caso, también se puede verificar si se cumple la relación ya que conocemos cada cantidad por separado a partir del experimento que se realizó. La FN la podemos conocer de la segunda ley de Newton: FN = ma

Asimismo, se puede calcular la fuerza debida a la fricción provocada por el agua ―f” a partir de la relación:

Fe - f = ma f = Fe - ma

Dado que conocemos experimentalmente Fe, m y a.

Eficiencia de los Barcos como Máquinas Térmicas

La eficiencia térmica, e, de una máquina térmica se define como el cociente del trabajo neto realizado a la energía térmica absorbida a una temperatura más alta durante el ciclo:

e=

W QH

Para realizar el proyecto experimental se realizará la construcción de dos barcos de vapor caseros, para los cuales se necesitarán los siguientes materiales:

B  arco de vapor 1 ⎯ Un cartón de leche vacío. Página 11 de 20

⎯ Silicona caliente. ⎯ Pegamento resistente a altas temperaturas. ⎯ Alicate de punta fina. ⎯ Regla. ⎯ Marcador. ⎯ 1 vela pequeña. ⎯ Lata de aluminio vacía. ⎯ Tijeras. ⎯ 1 pajilla normal. ⎯ 2 pajillas flexibles. ⎯ Un pedazo pequeño de alambre.

Barco de vapor 2 ⎯ Lata de aluminio vacía. ⎯ Tijeras. ⎯ Marcador. ⎯ Pegamento de dos componentes. ⎯ 2 pajillas flexibles. ⎯ Botella pequeña de plástico. ⎯ Goma de barra. ⎯ 6 corchos de botella. ⎯ 2 alambres de metal. ⎯ 1 candela.

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Plano del Barco 1

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Plano del Barco 2

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¿Cómo funcionan los barcos a vapor? La manera en que los barcos funcionan es; que por medio de las pajillas se introduce agua, parte de la cual se almacena en la lata, pero al prender la candela, esto genera vapor. El vapor producido necesitará un mayor espacio que el agua, lo cual generará una expansión que empujará el agua hacia afuera del barco, a través de la misma pajilla por donde se introdujo el agua en un inicio, lo cual generará que el barco tenga un movimiento en dirección delantera. El ciclo se va a repetir de manera constante hasta que la fuente de energía se agote (la candela). Imagen 4. Barco funcionando con vapor (fines ilustrativos).

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5. Resultados

Datos de los barcos Unidad

Símbolo

Valor obtenido en el barco 1

Valor obtenido en el barco 2

Masa

M

0.035 kg

0.1 kg

Distancia recorrida

∆x

0.6 m

1m

Tiempo

T

13 s

13s

Velocidad

V

0.046 m/s

0.077 m/s

Calor liberado de una vela

Qh

2248.2 cal

2248.2 cal

9412.76 J

9412.76 J

Obteniendo la eficiencia de cada barco

Unidad

Símbolo

Velocidad

V

Trabajo

W

Eficiencia

e

Fórmula

Valor obtenido Valor obtenido en el barco 1 en el barco 2 0.046 m/s

0.077 m/s

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6. Recomendaciones ● Utilizar un pegamento especial que soporte alta temperaturas para el motor; con el fin de asegurarnos que no exista fugas ya que la temperatura debe alcanzar aproximadamente 100 grados para que genere vapor. ● Realizar pruebas al motor para ver si existe fugas antes de colocarlo al barco; ya que si existe fugas el barco no funciona. ● Se puede utilizar otro tipo de material para el motor del barco, por ejemplo con el barco #1 se utilizó un tubo de crema de rosas y funcionó bien. ● Se puede buscar otra opción de pajillas, ya que por el tema ambiental se nos fue difícil de conseguirlas; otra opción puede ser usar manguera plástica transparente. ● Buscar que en el modelo viaje en linea recta para tomar lo datos de una manera muy precisa. ● Asegurarse de tener todos los datos a mano y poseer conocimiento sobre el tema de termodinamica para saber cuando el trabajo y el calor ingresan o salen del sistema.

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7. Conclusión Al finalizar el proceso experimental se logró demostrar que ambos barcos se impulsaron debido al vapor resultante, del calor suministrado al agua, gracias a esto se puede concluir que el vapor de agua generó el movimiento de los barcos. De igual manera se logró confirmar que la energía térmica se puede llegar a convertir en trabajo mecánico. Lo cual indica que la primera ley de la termodinámica se cumplió efectivamente. Por otra parte, al analizar los resultados obtenidos se determinó que el barco de vapor número dos, fue más eficiente que el barco de vapor número uno, debido a que aspectos como el modelo, la potencia y el peso de este barco influyeron de manera positiva en su rendimiento o eficiencia para convertir la energía térmica en trabajo, comprobando así, la segunda ley de la termodinámica. Finalmente, se logró llegar a la conclusión de que los motores de combustión interna (gasolina y diésel) producen sustancias altamente contaminantes como por ejemplo: el monóxido de carbono (CO) y los óxidos nitrosos (NOx) , mientras que los motores a vapor también pueden llegar a funcionar de manera eficiente pero con emisiones mucho más bajas. Lo que demuestra que su uso en los diferentes tipos de vehículos generaría un respiro para el planeta y un impacto positivo para el medio ambiente.

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Bibliografía

● Libro

UTN,

Física

II.

Recuperado

de:

https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/basicas/fisica2/files/Termodinamica_201 1.pdf ● García E., Cabrera E., Espejel R., Riveros H., Flujo de energía en lanchas de vapor. Revista Mexicana de Física 29 n° 2, México, 1982, pp. 237-244.

 ermodinámica primer principio. ● Martín, T & Serrano, A. (2014) Curso de física básica. T Recuperado de: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/termo1p_portada.html

● Jiménez, C. (2016) TEC (Tecnológico de Costa Rica). Primera ley de la Termodinámica. Recuperado de: https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10188/Primera%20ley%20de%20la %20termodinamica.pdf?sequence=1&isAllowed=y

 agen 2. Leyes de la Termodinámica ejercicios resueltos. ● Julián, C. (2020). FISIMAT. Im Recuperado de: h ttps://www.fisimat.com.mx/leyes-de-la-termodinamica/#comment-199

● Julián, C. (2020). FISIMAT. I magen 3. Leyes de la Termodinámica ejercicios resueltos. Recuperado de: h ttps://www.fisimat.com.mx/leyes-de-la-termodinamica/#comment-199

● HRCULTURA. ( 2013).

Primera Ley de la Termodinámica.

Recuperado de:

https://hrcultura.wordpress.com/tercer-corte/primera-ley-de-la-termodinamica/

Página 19 de 20

● Pople, Stephen, ―Energía potencial gravitacional y energía cinética‖, en Física Razonada, Ed. Trillas, México 1997, págs. 98-99.

● Serrano, A. & Martín, T. (2014) Curso de física básica. Máquinas térmicas. Recuperado de: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo2p/maquinas.html

● UAM - Universidad Autónoma Metropolitana - Unidad Iztapalapa. Termodinámica 1. Barco a vapor, págs. 2-7. ● Wilson D., Jerry, ―Trabajo y Energía‖, en Física, 5° ed., Ed. Wilson, México 2003, pág. 920. ● Zitzewitz W., Paul, ―Conservación de la energía‖, en Problemas y conceptos, Ed. Mc Graw- Hill, México 2004, págs. 258-261.

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