EXPERIMENTO: “MAQUINA DE VAPOR”
ESTUDIANTES:
JULIAN BLANDON DIXON JARAMILLO GASPAR SOTO DANIEL VALENCIA
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLÍN 2012
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EXPERIMENTO: “MAQUINA DE VAPOR”
ESTUDIANTES:
JULIAN BLANDON DIXON JARAMILLO GASPAR SOTO DANIEL VALENCIA
INFORME DE PRACTICA EXPERIMENTAL
PROFESOR:
INGENIERO. JUAN FERNANDO PEREZ BAYER ASIGNATURA:
IMC-364 TERMODINAMICA I
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLÍN 2012
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1. CONTENIDO
2 Glosario 4 3 Resumen 5 4 Introduccion 6 5 Descripcion 7 6 Antecedentes 7 7 Justificacion 9 8 Objetivos 9 8.1 Objetivos general 9 8.2 Objetivos especificos 9 9 Marco teorico 10 10 Desarrollo del experimento 12 11 Resultados y analisis 14 12 Conclusiones 18 13 Recomendaciones y trabajos futuros 19 14 Bibliografia 20
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2. GLOSARIO
Calor: Es una forma de energía que sucede cuando se tiene una diferencia de temperaturas. Mechero: Aparato que mediante una mecha encendida sirve para proveer energia en forma de calor. Sistema: Sistema: es el objeto de estudio. Es de libre eleccion por parte de las personas que esten estudiando y analizando un fenomeno. Y puede ser abierto o cerrado. Termodinamica: La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones entre el calor y el resto de las formas de energía. Veleta: Objeto generalmente de metal giratorio, generalmente en forma de flecha, que se coloca en lugares altos y sirve para señalar la dirección del viento.
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3. RESUMEN
En este trabajo reproducimos y desarrollamos un experimento casero como una puesta en escena de una aplicación practica de la primera ley de la termodinamica. Usando las habilidades manuales de los integrantes del equipo de trabajo se logro construir una maquina de vapor artesanal por medio de elementos que se consiguen facilmente en el comercio. Durante todo este informe mostrameos todo lo que se hizo nuestros malos diseños, hasta llegar al diseño ideal Haciendo uso de metodologia experimental se midieron algunas de las variables implicadas en el experimento. Para introducir estos valores en la ecuacion de primera ley y modelar matematicamente el fenomeno fisico. Algunos de los datos fueron tomados de fuentes de informacion bibliografica y de internet , asi como la idea original del experimento fue tomada de la red de videos youtube.com
Palabras clave
Termodinamica Primera ley Maquina de vapor Vapor de agua Capacidad calorifica Combustible Calor Trabajo
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4. INTRODUCCION
La primera ley de la termodinamica es la explicacion a multiples aplicaciones y fenomenos que vemos en el diario vivir. sabemos que esta definida como la ley de conservacion de la energia, sitando que la energia no se destruye solo se transforma y nosotros la ejemplificamos con un sencillo motor de vapor, hecho con una lata de gaseosa,agua, un tubo, una veleta y un combustible, donde la energia dada por el combustible se convierte en energia mecanica y en gran escala es uno de los metodos mas usados en el mundo para la produccion de energia electrica.
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5. DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Se requiere reproducir un experimento en el cual se ejemplifique la primera ley de la termodinamica con elementos de utilizacion casera y de bajo costo.
6. ANTECEDENTES
Nos basamos en el experimento realizado por Jonathan Josué Morales Vázquez y Aaron Sanchez Basave asesorados por el profesor profesor Mena Mena Monroy Ricardo Alberto de la asignatura de Fisica III. Escuela Nacional Preparatoria No 2 "Erasmo Castellanos Quinto. el 6 de marzo de 2012 en Mexico.
Primer diseño (veleta + lata de redbull)
Figura 1. Diseño 1. lata de redbull y veleta de papel. 7
Este diseño fue un completo fracaso dado que el tubo de aluminio se introdujo hasta la mitad de la profundidad de la lata, al calentar el vapor saturado de agua se acumulaba en la parte superior de la lata y por la posicion del tubo no lograba salir el vapor de agua, se dedujo que necesitariamos un tubo con un diametro interior mas pequeño para lograr que el vapor de agua saliera con mayor velocidad. Se uso una veleta mas pequeña, de un material mas resistente como el acrilico que pudiera soportar el calor ya que el papel del que estaba conformada la veleta se deformaba con facilidad debido al vapor de agua y por ultimo usamos una lamina que pusimos alrededor de la lata para lograr que el calor no deformara el acrilico. Teniendo todo esto en cuenta se realizó el segundo diseño.
Figura 2. Diseño 2. Lata de cerveza aguila y veleta en acrilico.
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7. JUSTIFICACION
Confrontar la teoria con la practica ha sido parte fundamental de los procesos derivados del metodo cientifico incluyendo los procesos de ingenieria.
8. OBJETIVOS 8.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar una prueba experimental donde se ejemplifique la primera ley de la termodinamica
8.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Desarrollar la capacidad creativa de los estudiantes de termodinamica para aplicar la teoria termodinamica de manera practica y experimental. Afianzar conceptos teoricos y reducir su faceta abstracta a traves de la experimentacion. Construir un dispisitivo que tome una energia termica y la transforme en energia mecanica con un aprovechamiento en forma de trabajo.
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9. MARCO TEORICO
Sistema abierto o volumen de control
Flujo transitorio Nomenclatura de las ecucaciones: i= entrada, en trada, e= salida, 1= inicial, 2= final ecuacion 1
ecuacion 2 ecuacion 3 ecuacion 4 ecuacion 5 ecuacion 6 ecuacion 7 En la mayoria de aplicaciones termicas se desprecian por su pequeño valor comparado con ecuacion 8 ecuacion 9 ecuacion 10 ecuacion 11 ecuacion 12 ecuacion 13 ecuacion 14
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Material Aceite vegetal
J/(kg·K) 2000
Agua (0 °C a 100 °C) Aire Alcohol etílico Alcohol metílico Aluminio Amoniaco (líquido) Arena Asfalto Azufre Benceno Calcio Cinc Cobre Diamante Dióxido de carbono (gas) Estaño Etilen glicol Gasolina Grafito Granito
4186
Helio (gas) Hidrógeno (gas)
5300
1012 2460 2549 897 4700 290 920 730 1750 650 390 387 509 839 210 2200 2220 710 790
Material Hielo (-10 °C a 0 °C) Hierro/Acero Hormigón Latón Litio Madera Magnesio Mármol Mercurio Metano (275 K) Níquel Nitrógeno Oro Oxígeno Plata Plomo Potasio Sodio Tejido humano Tierra (típica) Vapor de agua o (100 C) Vidrio (típico)
J/(kg·K) 2093 452 880 380 3560 420 1023 858 138 2191 440 1040 129 918 236 128 750 1230 3500 1046 2009
837 14267
Tabla 1. Calor específico (capacidad calorífica específica) (25 °C, °C, 1 atm=101 a tm=101 325 Pa) de algunos materiales
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10. DESARROLLO DEL EXPERIMENTO 10.1 Materiales Tubo Material del tubo: plastico Longitud del tubo: 30 mm Diametro exterior tubo: 6 mm Diametro interior: 4 mm Lata (cerveza aguila) Material: aluminio Volumen neto (capacidad) : 330 cm3 Longitud: 118 mm Diametro exterior: 67 mm Horno de alcohol Material: acero Diametro: 75 mm Altura: 80 mm Diametro recipiente interior: 60 mm Altura recipiente interior: 65mm Estopa de aluminio: 20 gr Combustible Nombre:alcohol industrial o etilico (C 2H5OH) Cantidad inicial: 40 ml Cantidad final: 35 ml Cp: 2460 j/Kg*k Punto de fusión: 158.9 K (-114.3 ºC) Punto de ebullición: 351.6 K (78.4 ºC) Densidad: 789 kg/m3. 0.789 g/cm3 Grado Alcohol métrico: 95 º G.L. Mínimo Temperatura crítica: 514 K (ºC) Viscosidad: 1.074 mPa.s a 20ºC Solubilidad en agua: Miscible 12
Punto de inflamación (ºC): Temperatura de auto ignición (ºC): 422 Limites de inflamabilidad (%V/V): 3.3 – 19 Veleta Material: acetato Numero de paletas: paletas : 8 Diámetro: 0.034 m Área de las paletas:1cm*1.5 cm Alambre Material: acero dulce Pegamento Masilla epóxica Agua Cantidad inicial: 80 ml Cantidad final: 71 ml 10.2 Procedimiento Acondicionamiento de la lata Se toma una lata de 330 cm3 de cerveza, se efectúa un pequeño agujero con un clavo de acero y se aumenta el diámetro del agujero con ayuda de un destornillador hasta el punto en q entre el tubo de plástico. Posteriormente se extrae extrae el contenido líquido de la lata lata en otro recipiente. El tubo de plástico (chimenea) y la veleta son fijadas en la lata por medio medio de masilla epoxica durepoxi Teniendo el tubo en posición se procede a introducir a la lata 155 ml de agua potable obtenida de la red de acueducto domiciliaria de epm. Acondicionamiento del mechero Se vierte en el mechero de acero una cantidad de 40 ml de alcohol etílico o industrial y se enciende con una candela Puesta en marcha del experimento 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Se enciende el mechero. Se calienta el agua al interior interior de la lata. El agua hierve. El agua comienza a generar vapor saturado. El vapor sale por por el el tubo. El vapor mueve la veleta. veleta. 13
11. RESULTADOS Y ANALISIS
Figura 3. Esquema del experimento
Figura 4. Diagrama Tv representativo del proceso
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Figura 5. Esquema del volumen de control para el sistema termodinámico.
11.1 Calculo del calor ( ) suministrado por el alcohol De la ecuación 14 se obtiene:
kg/s Ecuación 15 : Calor ṁ:
flujo másico de combustible consumido.
Cp: calor específico a presión presión constante. donde el Cp del alcohol etílico es 2460J/kg*K ΔT:
cambio de temperatura del aire, que es lo que inicialmente i nicialmente se calienta (341-300)K
t: tiempo hasta la producción de movimiento movimiento mecánico en la veleta t= 350s
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Nota: las pérdidas de calor debidas a las paredes de la l a lata y del tubo se despreciaron por la estimación de su pequeña magnitud. 11.2 Cálculo del trabajo (W) en la veleta
ecuacion 9 ecuacion 10 ecuacion 11 Ecuación 16
Para hallar las revoluciones de la veleta se grabó un video en alta definición al cual se le redujo notablemente la velocidad, además de haber pintado un aspa para mayor facilidad visual, esto nos arrojó un dato promedio de 9 rev/s (la velocidad varia de manera uniforme pero para mayor facilidad de los cálculos la tomamos constante.) unas 540rpm. Para hallar la aceleración también nos apoyamos en el video midiendo el tiempo desde el punto de reposo a su máxima velocidad, unos 5 segundos. ω=
540rpm*2πrad/60s= 56.548rad/s Ecuación 17 α= ω /t
11.3096rad/s
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Ahora:
Ecuación 18 F*0.017m=I*11.3096rad/s2 F= π*0.0174*11.3096/4*0.017 F= 4.3639*10^-5 N W= 4.3639*10^-5*0.017 W= 7.41*10^-7 Nm 11.3 Cálculos para el agua
Cantidad inicial: 80 ml= 80 ; temperatura inicial: 27°C Cantidad final: 71 ml= 71 ; temperatura final: 94.94°C Tiempo: 350s ; 16
11.4 balance de energía en el sistema T°C T°C 25 27 30 T°C T°C 91.76 94.935482 99.61
P Kpa Kpa 3.1698 3.6 4.2469 P Kpa Kpa 75 85.113 100
kJ/kg
kJ/kg
104.83 113.19 113.1 9 125.73 kJ/kg 2496.1 2499.9 2505.6
104.83 113.194 125.74 kJ/kg 2662.4 2667.5 2675
Tabla 2. Interpolación.de tablas A-4 y A-5 de Cengel para agua saturada en estados 1 y 2.
ecuacion 8 De la figura 5 se puede observar que ; ; por lo tanto el balance de
energía será:
) Nota: el signo negativo indica que el calor es cedido por el sistema hacia los alrededores (
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12. CONCLUSIONES
Entre mas pequeño el diámetro interior del tubo, mayor es la velocidad de salida de vapor de agua se obtiene. En nuestro caso la llama del alcohol industrial resultó ser más eficiente que la l a del gas natural usado en las cocinas comunes. Debido a que producimos una llama más grande con el alcohol industrial entre más pequeña y cerca este la veleta del tubo más fácil girará.
Se demostró efectivamente que la energía no se destruye solo se transforma.
El diseño de la veleta es parte fundamental en la eficiencia del movimiento mecánico.
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13. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS FUT UROS
Antes de realizar un experimento como este se deben conseguir todos los instrumentos de medición posibles Los instrumentos de medición que intervengan en el experimento deben de estar debidamente calibrados.
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14. BIBLIOGRAFIA
Termodinámica. Yunus A. Cengel. Michael Michael Boles. Edición quinta. Paginas: 246 a 252 http://www.quimicatecnica.com.co/documentos/DISOLVENTE_4__VARSOL.pdf http://dglab.cult.gva.es/Archivos/Pdf/DIBAMsolventes.pdf http://www.youtube.com/watch?v=eCzbeH0UwUk http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica06.htm
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