Proyecto Final- Primera LEY DE LA Termodinamica 1 PDF

Preview

Summary

Primera Ley de la TermodinámicaUNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚINFORME DEL PROYECTO FINALPrimera Ley de la TermodinámicaTrabajo que como parte del curso de Cálculo Aplicado a la Física III, presentan los alumnos:INTEGRANTES:ASIGNATURA: Cálculo Aplicado a la Física IIIDOCENTE: FERNANDEZ DIAZ JORGE ...

Description

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

INFORME DEL PROYECTO FINAL Primera Ley de la Termodinámica

Trabajo que como parte del curso de Cálculo Aplicado a la Física III, presentan los alumnos:

INTEGRANTES:

ASIGNATURA:  Cálculo Aplicado a la Física III DOCENTE:

 FERNANDEZ DIAZ JORGE LENIN SECCIÓN:  6379 TURNO:  Noche

Lima, 29 de febrero de 2020

1

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

I.

RESUMEN:

En el presente proyecto realizamos un experimento con el cual demostramos la validez de la Primera Ley de la Termodinámica. Este experimento se llevó a cabo en los ambientes de la Universidad Tecnológica del Perú. Dicha investigación se realiza con la finalidad de afianzar y reforzar los conocimientos teóricos sobre Primera Ley de la Termodinámica adquiridos en el curso de Cálculo aplicado la física III. Para el montaje del experimento utilizamos materiales reciclables y económicos. Nuestros resultados muestran que la Primera Ley de la Termodinámica permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. En concordancia con la conservación de energía. Palabras Claves: Trabajo; Energía interna; Termodinámica; Sistema. ABSTRACT: In this project we conducted an experiment with which we demonstrated the validity of the First Law of Thermodynamics. This experiment was carried out in the environments of the Technological University of Peru. This research is carried out with the aim of strengthening and strengthening the theoretical knowledge about First Law of Thermodynamics acquired in the course of Calculation applied physics III. For the assembly of the experiment we use recyclable and economical materials. Our results show that the First Law of Thermodynamics makes it possible to define heat as the necessary energy that the system must exchange to compensate for the differences between work and internal energy. Consistent with energy conservation. Key words: Work; Internal energy; Thermodynamics; System.

2

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

II.

INTRODUCCIÓN:

Este proyecto trata de la primera ley de la termodinámica (conservación de la energía), la cual se propuso desde 1840 por varios físicos entre ellos Joule y Mayer, sin embargo, fue hasta 1850 cuando se escribieron los primeros enunciados formales. La primera ley establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva y se transforma en otros tipos de energía, esto se refiere a 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, es decir Q=W. En base a esta información realizaremos una práctica para demostrar la primera ley de la termodinámica. La investigación realizada en el presente proyecto tiene como fines afianzar y argumentar lo aprendido en clase. Para ello, hemos optado por realizar una experiencia, utilizando materiales reciclables. Para la demostración de nuestro proyecto hemos demandado el uso de la biblioteca de la Universidad Tecnológica del Perú. Entre las tareas planteadas, se realizan el armado del circuito propiamente dicha, así como la toma de datos para la correcta evaluación e inferencia de resultados. En la experiencia, no encontramos ninguna limitación. ANTECEDENTES : La termodinámica como ciencia se inicia en 1650 cuando Von Guericke diseña y construye la primer bomba de vacío, en seguida Hooke y Boyle mejoran los diseños de Guericke creando la bomba de aire y a su vez notan una relación entre volumen presión y temperatura enunciando así la ley de boyle, más tarde en 1679 se construye el digestor de vapor. En 1798 thompson demostró la conversión de trabajo mecánico en calor, y fue hasta 1847 cuando Joule formula la ley de conservacion de energia. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, solo de transforma.

3

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

III.

METODOLOGÍA: Materiales

 2 latas de gaseosa y una de conserva  Hilo de nylon  1 Varilla paraguas o alambre grueso  20 cm hilo de nylon (hilo de pescar)  1 Escuadra de aproximadamente 4 cm de lado  1 Globo  1 Tapón detergente  Alambre fino  15 cm de tubo transparente de 4mm diámetro  1 CD viejo (para el volante de inercia)  Una cañita de gaseosa  Un motor de 4 voltios  Silicona Rojo Permatex  Tuercas pequeñas Instrumentos

 Tijera o cúter  Alicate 4

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

 Taladro  Destornillador

Procedimiento: 1. Soporte cigüeñal: 1.1 Cortaremos un agujero tanto en la parte superior como inferior de la lata. 1.2 Realizamos otro agujero al centro de la lata, como se puede visualizar en la imagen.

1.3 En otra lata, cortamos un agujero en la parte superior y en la base se hará un pequeñísimo agujero cuyo diámetro tendrá que coincidir con el hilo de nylon. 1.4 Realizamos otro agujero algo más pequeño al del tubo, para que entre una presión y no quede holgura. 1.5 Colocamos la escuadra. 5

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

2. Cigüeñal: 2.1 El cigüeñal lo realizamos de un alambre grueso (aproximadamente 2 mm). 2.2 Doblamos a unos 35 mm del extremo formando un ángulo de 90º (esta parte se conectará a la biela del desplazado), tendrá una altura de aproximadamente de 10 - 14 mm y de anchura aprox. 20 mm. 2.3 La parte que se conecta con el diafragma debe ser doblados alrededor de 5 7 mm. El tamaño no es necesario ser exacto sin embargo. El fin de diafragma de las bielas se gira a través de unos 90 grados, esto es muy importante, así que asegúrate de hacerlo bien. La pieza de partida de alambre para las bielas debe ser alrededor de 20 cm de largo. 2.4 Una vez que haya formado las bielas, puede hacer que la barra de conexión para el desplazador. Es sólo un trozo de alambre delgado con forma de zig zag forma curvada en ella, y dos ganchos en cada extremo. El propósito de la zag zig es para que pueda ajustable delantero de la altura del desplazador para evitar golpear la parte inferior del cilindro del desplazador. Este zig zag pieza se monta sobre la parte del desplazador de las bielas.

6

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

3. Cilindro: 3.1 Con ayuda de una plantilla de 70 mm de altura aprox, recortamos la lata con ayuda de una tijera o cúter.

4.

Desplazador: 4.1 Construimos el desplazador de lana de acero. Enrollamos este sobre con la ayuda de una “cañita”. El diámetro debe ser de aproximadamente 5 mm más pequeño que el de la lata y la altura de aproximadamente 30 mm. Con un trozo de alambre creamos una figura parecida a la de la figura, que servirá de soporte. 4.2 Comprobamos el ajuste del desplazador en el cilindro. Recuerda que no se deben rozar. En la parte superior doblamos el alambre donde posteriormente uniremos el hilo de pescar (hilo de nylon).

5. Pistón:

7

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

5.1 Cortamos el globo para obtener la membrana que será el pistón del motor 5.2 En el centro de la membrana realizamos un pequeño agujero por cual introduciremos un tornillo de 2,5 mm de diámetro. Lo fijaremos con arandela y tuerca.

6. Montaje: 6.1 Colocamos el cigüeñal.

6.2 Fijamos el tapón en la escuadra.

6.3 Colocamos el tubo de 4 mm de diámetro, entre base de lata y el tapón. 8

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

6.4 Situamos la membrana en el tapón. 6.5 Introducimos el hilo de nylon por el agujero situado en la base del soporte del cigüeñal y el desplazador en el cilindro.

6.6 Finalmente ajustamos para que el cilindro quede hermético, colocamos el volante de inercia, ajustamos las bielas.

9

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

IV.

RESULTADOS

En la (figura 1) se puede ver el comportamiento del gas dentro del motor, en el punto A el volumen y la presión son las condiciones iniciales del proceso que se tienen cuando aún no se le adiciona energía al sistema, por lo tanto, se encuentra a temperatura y presión del medio. 15 En el punto B se agrega la energía suficiente al sistema para que el motor inicie su funcionamiento, la temperatura alcanza su máximo, pero como el émbolo sigue sin moverse no permite la expansión del aire y la presión llega a su máximo punto. En el punto el motor comienza a funcionar y el pistón inicia su desplazamiento, la temperatura se mantiene alta porque se sigue adicionando energía y llega a su máximo volumen. En el punto D, el volumen se mantiene en su máximo valor, la presión disminuye y la temperatura baja porque ha llegado a la zona fría y empieza un decremento de volumen hacia el punto inicial A. En la gráfica también observa: -

1: Expansión Isotérmica, la temperatura se mantiene igual, aumenta el volumen y baja la presión.

-

2: Expansión Isócora, la temperatura disminuye, el volumen se mantiene igual y la presión baja más.

-

3: Compresión Isotérmica, la temperatura se mantiene igual, el volumen disminuye y la presión aumenta.

-

4: Compresión Isócora, la temperatura aumenta, el volumen se mantiene igual y la presión aumenta más.

10

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

Figura 1.

V. LIMITACIONES Y ALCANCES: Las limitaciones de la experiencia, fueron la obtención de un motor, Para lo cual llegamos adquirir con un tiempo mayor, con fin de que se pueda demostrar el experimento con éxito. Como alcance tenemos la comprobación experimental de la Primera Ley de la Termodinámica

VI. CONCLUSIONES: 

El funcionamiento de este montaje experimental responde a principios termodinámicos, además, la energía no es más que la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo por ello, se dice que “la energía no se crea ni se destruye, solo se trasforma”, es decir, la primera ley termodinámica.



Con el experimento realizado se observó que la primera ley de la termodinámica demuestra que el calor neto que entra o sale de un sistema, es igual al trabajo neto que efectúa el mismo, Así mismo, el calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí.



A más diferencia de temperaturas, mayor es el área del ciclo termodinámico. Conforme la diferencia de temperaturas va aumentando, la velocidad del motor aumenta lentamente.

Recomendaciones 

Este montaje experimental es de gran eficiencia y relativamente ecológico, podría en un futuro ubicarse en gran parte de los hogares, produciendo energía eléctrica libre de contaminantes.



En el futuro este tipo de motores pueden resultar rentables para las empresas, así como también favorables a nuestro medio ambiente, reduciendo los gases de efecto invernadero; porque se pueden utilizar como fuente de energía la 11

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

radiación del sol de forma directa. Una aplicación real es utilizando la energía solar para que el motor funcione y genere electricidad o trabajo mecánico, como sabemos el motor Stirling funciona gradiente de temperatura, el cual puede ser el sol, por ende se reduce la contaminación que genera la combustión.

VII. BIBLIOGRAFÍA:  Manual del motor Stirling - Leandro Wagner (8 de octubre de 2015) Motor

Stirling Gama com pistão de trabalho grafitado - Stirling engine graphite power piston [Archivo de video]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch? v=z1LuaTxSwQA&feature=youtu.be  Mar10 (24 de abril de 2019) MOTOR Stirling paso a paso detallado materiales caseros [Archivo de video]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch? v=0M89s9qbh7E  Elaboración de un Motor Stirling con objetos reciclados, una alternativa barata de producir energía. (s.f.) Recuperado el 24 de febrero de 2020, de https://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria22/feria393_01_mo tor_stirling.pdf

12

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

 SERWAY, RAYMOND A.(2005). Física para ciencias e ingeniería, EDITEC S.A. de C.V

VIII. ANEXOS:

13

Informe de proyecto del curso Cálculo Para la Física 3 Primera Ley de la Termodinámica

14...