Colegio María Teresa Cancino Departamento de Física 4to Medio A – Plan diferenciado.
EXPERIMENTO
Introducción
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En el periodo de la revolución industrial, nace en el mundo un fuerte interés por la ciencia y las nuevas tecnologías; se desea conocer y entender el mundo, mundo, pero no solo por una cuestión de curiosidad, más bien para satisfacer las necesidades de los mismos humanos. El surgimiento de las máquinas revoluciona el mundo, las personas comienzan a ver en ellas mayor eficiencia, productividad productividad y comodidad, por lo que cada vez desean más y más poder construir nuevas y mejores máquinas. Bajo este contexto aparece en 1824 el francés Sadi Carnot, un ingeniero conocido en el mundo por su aporte al principio de “la segunda ley de la termodinámica” y por diseñar la máquina térmica actualmente
más eficiente, caracterizada por trabajar en base al ciclo termodinámico reversible que ll eva su nombre. En el experimento que presentaremos a continuación, queremos demostrar los principios postulados por Carnot, mediante la realización de una máquina casera que trabaja en base a los mismos. Aprenderemos en que consiste este ciclo, como permite el funcionamiento de la máquina y que es aquello que la hace tan eficiente.
Marco Teórico Teórico
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Nicolas Léonard Sadi Carnot, nació nació en París, el 1 de junio de 1796 y murió el 24 de agosto de 1832, fue un ingeniero francés precursor precursor de los estudios de la termodinámica, actualmente reconocido como el fundador de esta rama de la física. fí sica. En el año 1824, escribió su obra m aestra titulada “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia”, donde planteó las ideas que años después
servirían como base para para la formulación de de la
segunda ley de la
termodinámica, en manos manos de Rudolf Clausius y Lord Lord Kelvin.
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La segunda ley de la termodinámica y el principio de Carnot:
La segunda ley de la termodinámica es una de las más importantes dentro de la física y nos habla sobre la irreversibilidad de los procesos y la entropía. Explica que, a pesar de que la energía no desaparece ni se destruye, si es posible transformarla, además de establecer el sentido en que se dirige esta transformación. Este proceso ocurre únicamente entre dos estados de equilibrio distintos, lo que sugiere una limitación para el proceso; según este principio, cuando se tiene un sistema que va del estado de equilibrio A al B, la cantidad de entropía del segundo será la máxima posible (B), por lo tanto, mayor que la primera (A). El trabajo será realizado en el transito de A a B y no cuando se encuentre en uno de ell os, sin embargo, si este sistema es cerrado, la energía y cantidad de materia no ha podido cambiar; sí la entropía debe maximizarse en el transito de un estado de equilibrio a otro de manera cíclica, el proceso se verá cada vez más dificultoso,
pues
el
desorden
equivalente
debe
aumentar
exponencialmente. Los principios establecidos por Carnot fueron 2: 1-. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que una reversible operando entre los mismos dos reservorios. 2-. La eficiencia de todas las máquinas térmicas reversibles esta operando siempre entre los dos mismos reservorios de la máquina.
Marco Teórico Teórico
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El ciclo de Carnot: El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico ideal reversible, entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo. El ciclo se produce entre dos focos, uno a una alta temperatura (Qh) y otro frío (Qc). Para que la eficiencia sea máxima, la máquina debe tomar calor del foco caliente y verter el calor de desecho en el foco frío. Para que este ciclo sea optimo, el calor debe ser tomado a una temperatura máxima (Th) y el desecho, dejado en una temperatura mínima (Tc), para esto deben ocurrir dos procesos que se repiten en dirección contraria:
1-. Expansión isotérmica: En esta etapa el gas se encuentra en un primer momento a una temperatura Tc, ocupando un volumen mínimo y a una presión alta. Este gas es dirigido a un cilindro donde se expande producto de la alta presión, lo que tiende a disminuir su temperatura, pero se pone en contacto con la fuente de calor para mantenerla así constante. Como la energía interna no varia, toda la energía absorbida del foco caliente es completamente transformada en trabajo. 2-. Expansión adiabática: En esta etapa el ciclo se mantiene aislado de cualquier fuente de calor, permitiendo que el gas se enfríe hasta una temperatura Tc. En este momento el pistón llega hasta su punto final y el gas se encuentra con su volumen máximo. Durante esta etapa todo el trabajo proviene de la energía interna. 3-. Compresión isotérmica : En esta etapa se pone la l a fuente de energía Qh en contacto con el cilindro que contiene el gas, haciendo que este comience a expandirse, pero sin cambiar su temperatura, puesto que el calor es cedido al foco frío. Como la temperatura se mantiene constante, constante, la energía interna no cambia, por tanto todo el trabajo es absorbido por en forma de calor por la fuente de energía Qc.
Marco Teórico Teórico
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4-. Compresión adiabática: La fuente de energía Qc se retira para que el gas eleve su temperatura hasta llegar a Th, aquí el volumen del gas alcanza su valor mínimo. Como durante esta etapa no existe un intercambio de calor, por lo que el trabajo se convierte en energía interna. Así, estos procesos se repiten indefinidamente formando el ciclo termodinámico. Las principales características del ciclo de Carnot son: - Tienes dos fuentes de energía, una alta y una baja que se mantienen siempre constantes. - Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles, por lo que el ciclo podría ser invertido. - El gas debe encontrarse en su temperatura máxima al encontrarse en el foco caliente y en su temperatura mínima en el foco frío. ●
La máquina de Carnot:
La máquina de hipotética de Carnot es una máquina ideal que funciona en base al ciclo reversible de Carnot con una máxima eficiencia. El funcionamiento de la máquina térmica explicado en forma sencilla es el siguiente: En el deposito (foco) caliente, el gas que producirá el trabajo aumenta su temperatura y presión, después será introducido a la máquina térmica donde se expandirá o sufrirá una combustión que empujara el embolo produciendo un trabajo mecánico, el resto de energía –desecho- será enviado al deposito frío con el fin de disminuir su temperatura y reanudar el ciclo.
Experimento: Materiales Materiales y Procedimiento Procedimiento
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Para el siguiente experimento realizaremos el motor de Stirling, conocida por ser actualmente la máquina que más se ha acercado a la hipotética máquina de Carnot. Para ello, será necesario lo siguiente: ●
Materiales:
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1 Tarro 2 latas de bebida 1 Globo Tubo de PVC (codo) Alambre CD Alicate Suela para llaves
Circulo de lata Tapa de botella Base de Madera Vela Cinta aislante 2 palos de madera. Cortante Aislapol y piedra Tijeras
Procedimiento:
Una vez reunido todos lo materiales, procederemos a confeccionar nuestro motor.
Quitar completamente la tapa del tarro y hacer una perforación por el lado en la parte superior.
Para confeccionar el pistón, cortarrmos 1/3 de una de las latas de bebida y la parte baja de la otra; la primera será llenada con aislapol y una piedra para poner peso, mientras que en la se gunda procederemos a hacer un agujero en el centro para pasar un alambre.
Experimento: Materiales Materiales y Procedimiento Procedimiento
Pondremos la segunda lata sobre la
El círculo de lata será usado como tapa para el
primera en forma de tapa y la sellaremos con
tarro, así que le haremos un agujero en el
cinta adhesiva.
centro y procederemos a meter el pistón previamente confeccionado dentro del tarro y sobre ellos la tapa, sellándolos completamente.
Para hacer el segundo pistón; cortaremos una tapa plástica y pasaremos un alambre por el Uniremos el tubo de PVC al tarro, dejando la
centro, sobre esto pondremos un globo que
parte abierta hacia arriba.
luego montaremos sobre el tubo de PVC, apretándolo bien para que no se escape el aire.
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Experimento: Materiales Materiales y Procedimiento Procedimiento
Cortaremos un alambre y le daremos la forma como se muestra en la imagen y a ello uniremos ambos pistones.
Uniremos los dos palos de madera a cada lado de nuestro motor y lo pondremos sobre la base, dejando un espacio en la parte baja, suficiente como para poner una vela.
En un extremo, afirmaremos un Cd (que tiene en el centro una suela con un agujero justo para pasar el alambre) alambre) de modo que giren junto con el alambre.
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Observacioness y análisis Observacione
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Una vez ensamblada la máquina, comenzamos con el experimento: Pusimos Pusimos la vela sobre la base de la máquina y le dimos un pequeño impulso con los dedos a la rueda para para facilitar el comienzo. Como por obra de magia, la rueda siguió moviéndose (un poco más rápido que lo inicial) y no se detuvo hasta que la vela fue retirada. Según lo aprendido esto se debería a que el aire contenido dentro del tarro se calienta y empuja el pistón, quien hace girar la rueda y a su vez mueve el pistón más pequeño, que se encuentra en la zona fría; el aire caliente que había subido, se desvía por el tubo de PVC, llegando a esta misma zona, donde se enfría y baja nuevamente para comenzar el ciclo desde el principio. La única diferencia entre esta máquina y la hipotética de Carnot, es que para hacer funcionar ésta son necesarios dos pistones, pistones, los cuales aumentan aumentan la potencia y utilizan así mejor la energía energía del otro. De esta manera hay dos ciclos que permiten el movimiento de la rueda; primero tenemos el postulado por Carnot, en base al cambio de temperatura, y en segundo lugar nos encontramos con un ciclo potenciador dirigido por la forma del alambre al que se encuentran unidos los pistones y la rueda, esto sucede porque al subir el pistón mayor, este hace girar la rueda y además gira la vuelta del alambre que esta unida al otro pisto, haciendo que este baje, luego este al subir, obliga al otro a bajar y así sucesivamente formando un ciclo interminable, que solo se acaba cuando deja de haber un combustible, es decir, se apaga la vela.
Conclusión
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En conclusión podemos decir que, a pesar de que Carnot nunca logró construir su máquina y que tampoco fueron valorados sus descubrimientos inmediatamente, inmediatamente, ha sido un gran aporte y el verdadero fundador de la termodinámica. Su contribución ha sido esencial para la creación de distintas máquinas que trabajan basándose en su ciclo (aunque sin lograr la completa eficiencia), es decir ha sido un revolucionario de la física, que ha permitido grandes mejoras en la maquinaria y sobre el entendimiento de la termodinámica. El ciclo de Carnot, ha sido fundamental, pues ha cimentado una base que permitió a científicos posteriores hacer nuevos descubrimientos y perfeccionar de apoco las teorías termodinámicas, las cuales en la actualidad son esenciales para explicar el funcionamiento de muchos objetos que se encuentran a nuestro alcance y con los que convivimos cotidianamente. El experimento que realizamos nos permitió entender el funcionamiento básico de la máquina de Carnot, además de mostrarnos como trabaja la termodinámica y como es posible que el calor pueda ser transformado en trabajo y viceversa.
Bibliografía Bibliografí a
● Webs Información:
http://procesostermodinamicoseq8.blogspot.com/2010/05/procesos-termodinamicos.html http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/mateos_e_e/capitulo4.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Nicolas_L%C3%A9onard_Sadi_Carnot http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isot%C3%A9rmico http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Carnot http://arquimedes.matem.unam.mx/DescartesWeb2.0/doctec/fisica/calor/CicloDeCarnot.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Carnot http://www.mitecnologico.com/ie/Main/CicloDeCarnot http://www.youtube.com/watch?v=4no8w1Hu6fg&feature=related
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