a !ue casi toda la energ&a disponible de las materias se libera en forma de Motor Stirlingprimas Casero calor, podemos comprender el por!u# de la importancia de esta disciplina, la cual 1-.Resumen a la ve" a desarrollado enormes avances en la ciencia y la tecnolog&a. El motor Stirling casero es un dispositivo elaborado principalmente a base de materiales de uso cotidiano, el cual funciona por principios - rocesos reciclables termodinámicos. termodinámicos simples. La idea de construir un aparato de este tipo E$isten diversos muy factores llamados variables de estado !ue determinan la surgi como una in!uietud degas, anali"ar funcionamiento real detemperatura una ma!uina t#rmica condicin f&sica de un comoelson/ resin, volumen, y cantidad pero a la ve" e$perimentando conociendo sus partes tantosobre internas como de materia o sustancia. Se an yreali"ado diversos estudios las interacciones e$ternas para una me%or del la mismo. Este aparato busca Ley ser una de estas variables, dandocomprensin como resultado formacin de tres leyes/ de 0oyle, forma sencilla econmica de demostrar la transformacin de la energ&a ley de práctica, ay Lussac y Leyyde Carles, !ue a la ve" dieron pie a la conformacin de t#rmica en traba%o mecánico y los viceversa, el proyecto acredita satisfactoriamente los procesos termodinámicos, cuales son/ partedelroceso conocimiento ad!uirido durante el curso de !u&mica de se$to a'o, )sot#rmico. particularmente de la unidad de termodinámica marcada en el programa de la roceso )som#trico o isocrico escuela nacional preparatoria y al mismo tiempo incluyendo conocimientos de roceso )sobárico. nuestra materia de f&sica correspondiente a área 1. ara efectos de este traba%o, nos concentraremos en dos tipos de procesos, !ue parten de la rimera Ley de la termodinámica, la cual enuncia !ue la energ&a debe conservarse en cual!uier proceso termodinámico. icos procesos son el )sot#rmico y el )socrico o )som#trico. Los procesos isom#tricos se observan en el funcionamiento del motor al calentar y enfriar el fluido de traba%o a volumen constante. Este proceso es com2nmente conocido como Ley de ay Lussac en donde la presin absoluta del gas es directamente proporcional a la temperatura.
13*1 4 (*(55 6olumen cte. / resin. (-.)ntroduccin */ *emperatura. (.1-.Marco terico. - *ermodinámica. La *ermodinámica es la rama de la +&sica, ya por mucos considerada como ciencia, !ue se ocupa del estudio de la transformacin de la energ&a t#rmica en energ&a mecánica y del proceso inverso, la conversin de traba%o en calor. ebido
Los procesos isot#rmicos, apreciables en la compresin y e$pansin del fluido a temperatura constante, tambi#n son conocidos como Ley de 0oyle 7El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presin absoluta !ue se le apli!ue8.
161 4 (6(5..*emperatura cte. / resin. 6/ 6olumen.
Mediante estos principios, es más fácil entender el funcionamiento del motor Stirling, el cual se basa primordialmente en la variacin de presin a causa de los cambios de temperatura.
- Má!uina t#rmica. 9na má!uina t#rmica es un dispositivo cuyo ob%etivo es convertir calor en traba%o. ara tal efecto, utili"a una sustancia d e traba%o :vapor de agua, aire, gasolina; !ue reali"a una serie de transformaciones termodinámicas de forma c&clica para !ue #sta pueda funcionar de forma continua. < trav#s de dicas transformaciones la sustancia absorbe calor :normalmente, de un foco t#rmico; !ue transforma en traba%o. 9n problema !ue presentan las má!uinas t#rmicas en el ámbito práctico es !ue están su%etas a un gran n2mero de adversidades como la friccin, la p#rdida de calor por conduccin y la radiacin, !ue impiden !ue dicas má!uinas traba%en a su má$ima eficiencia. 9na má!uina ideal, libre de este tipo de problemas, fue sugerida por Sadi Carnot en 1 =(>. Esta má!uina tiene la eficiencia má$ima posible tratándose de una má!uina !ue absorbe calor de una fuente a alta temperatura, reali"a un traba%o e$terno y deposita calor en un recipiente a ba%a temperatura. La eficiencia de una cierta má!uina puede determinarse al compararla con la má!uina de Carnot al funcionar entre las mismas temperaturas.
- Motor Stirling. Se define al motor Stirling como un dispositivo !ue convierte energ&a calor&fica en traba%o mecánico y viceversa, a trav#s de un ciclo termodinámico regenerativo el
cual se compone de movimientos de compresin y e$pansin c&clicas del fluido de traba%o, operando dico fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco fr&o. Este maravilloso motor fue inventado en 1=1? por el fraile escoc#s Robert Stirling. En sus inicios, fungi como una gran alternativa al motor de vapor empleado en las locomotoras. oco a poco fue perdiendo fama debido al desarrollo del motor de combustin interna, el cual generaba una mayor potencia a pesar de la poca eficiencia t#rmica !ue presentaba. Con el paso del tiempo, el motor Stirling se a vuelto a tomar en cuenta debido a las grandes venta%as termodinámicas !ue presenta, as& como a su fácil manipulacin de ciclo y a su ba%a emisin de contaminantes. El motor Stirling es el 2nico capa" de apro$imarse al rendimiento má$imo terico conocido como rendimiento de Carnot. Es importante mencionar !ue el motor Stirling a pesar de presentar una alta eficiencia t#rmica, tiene una potencia muy ba%a, adicionado a !ue el rendimiento ptimo slo se alcan"a a velocidades ba%as. Es un motor de combustin e$terna, lo !ue le permite emitir menores cantidades de gases contaminantes en comparacin al motor de combustin interna, además tiene
la posibilidad de aceptar fuentes de calor !ue no re!uieran de la
combustin. 0asándose en lo anterior, grupos de cient&ficos an construido motores Stirling !ue funcionan a partir de la energ&a solar, de energ&a nuclear y de calor de desecos de procesos. Considerando las caracter&sticas !ue presenta el motor Stirling, las cuales son muy parecidas a las !ue presenta la má!uina ideal de Carnot, podemos considerarlo como una má!uina t#rmica ideal, eco !ue a lo largo del traba%o se desarrollará con mayor detalle.
- *ipos de motores Stirling. E$isten tres principales tipos de motores Stirling/
Motores tipo
@o utili"a pistn despla"ador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. +ue dise'ado por Rider en Estados 9nidos. Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el !ue se sit2a el regenerador !ue almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros ay un pistn !ue se mueve AB grados desfasado respecto al otro. 9no de los cilindros se calienta mediante un mecero de gas o alcool y el otro se enfr&a mediante aletas o agua. El desfase entre los dos pistones ace !ue el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y reali"ando el traba%o !ue permite el funcionamiento del motor.
Motores tipo 0eta/
El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un cilindro, con una "ona caliente y una "ona fr&a. En el interior del cilindro está el despla"ador cuya misin es pasar el aire de la "ona fr&a a la caliente y viceversa. Conc#ntrico con el despla"ador se encuentra el pistn de potencia y mediante un cige'al especial el movimiento del pistn y el despla"ador están desfasados AB grados, lo !ue permite !ue el motor funcione.
-esde Eficiencia el punto t#rmica. de vista termodinámico es el motor más efica", pero su construccin Como se mencion es complicada al inicio ya del!ue cuerpo el pistn del traba%o, debe delatener eficiencia dos bielas termodinámica y permitir el pasociclo del del vástago Stirling !ue es prácticamente mueve el despla"ador. igual a la de un ciclo de Carnot, traba%ando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo cual se debe principalmente a lo erm#tico del aparato y al proceso denominado regeneracin en el !ue se utili"a una misma cantidad de fluido en todo el proceso de calentamiento y enfriamiento del gas, evitando de tal forma la p#rdida de calor del sistema. 9na má!uina t#rmica recibe una cantidad determinada de calor, pero debido a inevitables p#rdidas por friccin, lo puede convertir en una cierta cantidad disminuida de traba%o mecánico, estando de tal forma siempre presente el calor !ue no se aproveca. La frmula para el cálculo de la eficiencia t#rmica es/
Motor tipo amma/
E G Fs E G D peroes4 D E4 :Fel Fs;3FE mostrado a lo por lo tanto/ E4 3FE Stirling < esta clase desalmotor a laF!ue pertenece prototipo
largo del traba%o. Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sit2a E4 1 G Fs3FE el despla"ador y en otro el pistn de potencia. Los sistemas para enfriar y calentar son id#nticos a los del tipo beta. E4 eficiencia FE4 Calor entrante. En este tipo elt#rmica. pistn de potencia es muco más sencillo de construir ya !ue es F saliente. 4 *raba%o s4 Calor similar al de un motor de motocicleta.
FE/ Calor entrante
Fs/ Calor saliente.
*E/ *emperatura entrante. *s/ *emperatura saliente.
or lo tanto, la eficiencia del motor Stirling se puede calcular como una funcin de las temperaturas absolutas/ E4 :*E G *s;3*E
por lo tanto/
E4 1 G *s3*E E4 Eficiencia t#rmica. *E/ *emperatura entrante. *s/ *emperatura saliente
(.(-.Hb%etivos.
Construir un motor tipo Stirling con materiales reciclados
Estudiar y e$plicar el funcionamiento de una de las má!uinas t#rmicas más eficientes como lo es el motor Stirling.
(.I-.roblema. 0uscar la forma de poder construir un pe!ue'o motor Stirling tipo amma, empleando materiales de ba%o costo y en su mayor&a reciclables.
(.>-.Jiptesis. e acuerdo al modo de funcionamiento del motor Stirling, es posible demostrar los procesos termodinámicos presentes en una má!uina t#rmica, mediante la construccin de un motor Stirling eco con materiales reciclados.
I-.esarrollo. ara la construccin del motor Stirling casero se emplearon los siguientes materiales/
K metro de ilo nailon I latas de refresco vac&as K metro de alambre galvani"ado 1globo
1tornillo pe!ue'o 1rondana para el tornillo 1tuerca para el tornillo 1 codo de cpvc
Metodolog&a para la construccin del motor Stirling
1; Cortar las latas por su parte superior. (; osteriormente agu%erar una de ellas en su base por la parte central :el agu%ero debe ser del diámetro de un alfiler;. I; La segunda lata debe ser agu%erada por uno de los costados y se le pondrá el codo de cpvc pegado con plastiacero. >; Se fabrica un pistn con otra lata de refresco, #ste debe despla"arse de manera libre por el interior de la lata !ue tiene el tubo de cpvc. ; < continuacin se construye un cige'al con el alambre galvani"ado y con ayuda de unas alicatas, como se indica en la figura
?; La lata con agu%ero en su base deberá de llevar ( agu%eros en sus e$tremos de tal manera !ue se encuentre uno a 1=B grados del otro y a la misma altura, en estos agu%eros se colocara el cige'al. ; osteriormente con ayuda de ilo niln, se amarrara el cige'al al pistn, el pistn debe colocarse en la lata !ue tiene el codo de cpvc y el ilo de niln debe pasar por el agu%ero como se muestra en la figura/
>-.Resultados. escribir el funcionamiento del motor y e$plicar cmo gira el motor. escripcin del motor.
-.
El motor Stirling fue utili"ado como alternativa del motor de vapor durante sus inicios, para despu#s ser despla"ado por el motor de combustin interna, pero actualmente se an estudiado me%or sus grandes beneficios, convirti#ndose en una gran promesa para la generacin limpia de energ&a el#ctrica pues la reaccin de combustin es muco más controlada !ue en un motor de combustin interna, además, se an construido tambi#n motores Stirling solares, de tal forma !ue no re!uiere de la !uema de combustibles para mantener el calor en la parte ba%a del motor, aciendo por lo tanto de este maravilloso motor un e$traordinario, eclogico y de gran eficiencia motor Stirling.
?-.Conclusiones. El funcionamiento del motor Stirling responde a principios termodinámicos simples, pero !ue a la ve" acen del mismo una ma!uina asombrosa, como emos visto la energ&a en el universo no es más !ue la capacidad de un cuerpo para reali"ar un traba%o, lo cual está &ntimamente relacionado a un principio muy elemental 7la energ&a no se crea ni se destruye, solo se transforma8, es decir, la primera ley de termodinámica. or otro lado emos aprendido !ue no e$iste ma!uina perfecta capa" de aprovecar &ntegramente la energ&a total de un sistema para la produccin de traba%o, lo cual a tra&do consigo la in!uietud de desarrollar artefactos capaces de aprovecar todo el recurso suministrado, pues en la mayor&a de los casos será posible presenciar perdidas lo cual no trae consigo ning2n beneficio.
consumo de energ&a debido a !ue esta es aprovecada casi al 1BBP y con grandes prestaciones. racias a esto las aplicaciones !ue se le pueden dar son diversas y los beneficios en mayor medida.
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