UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: ABRIL/2015 – SEPTIEMBRE/2015 SEPTIEMBRE/2015
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial
TERMODINÁMICA SIGCHA BYRON
VALENCIA FRANKLIN
SÉPTIMO
A
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I. PORTADA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial
INVESTIGACIÓN ”
“
Título:
EXPERIMENTO DE JOULE
Carrera:
INDUSTRIAL
Área Académica:
OPTATIVA II
Línea de Investigación:
TERMODINÁMICA
Ciclo Académico y Paralelo:
SÉPTIMO
Alumnos Participantes:
SIGCHA BYRON
A
VALENCIA FRANKLIN
Módulo:
TERMODINÁMICA
Docente:
ING. JORDÁN EDISSON
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II. INFORME DEL PROYECTO 1.1 Título EXPERIMENTO DE JOULE 1.2 Objetivos i.
Objetivo General:
Analizar el experimento de Joule con sus características, en qué consistía y cuál es su procedimiento mediante la investigación bibliográfica.
ii. Objetivos Específicos:
Detallar el procedimiento del experimento de Joule mediante la investigación bibliográfica. Identificar las características de los motores. Describir como la energía y el calor son de igual magnitud.
1.3 Palabras Claves Termodinámica, Motores, Joule, Calor, Energía.
1.4 Marco Teórico EXPERIMENTO DE JOULE
EXPERIMENTO DE JOULE
En el siglo XIX, Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.
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Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas eran también distintas.
La unidad de calor que se empleaba era la caloría Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica
PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO DE JOULE
El experimento de Joule fue una verdadera proeza de precisión y de ingenio considerando los medios de que se disponían en esa época.
El aparato consistía esencialmente en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas
De hecho ocho brazos revolventes, girando entre cuatro conjuntos de paletas estacionarias.
El propósito de estas paletas era agitar el líquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas.
El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido.
El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo.
Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en el recipiente.
Los ciclos de potencia de gas o dispositivos cíclicos generadores de potencia revisten de gran importancia en el estudio de la termodinámica ya que varios sistemas y maquinas se basan en su funcionamiento.
CICLO DE POTENCIA
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CICLOS EN LOS MOTORES COMBUSTIÓN INTERNA.
DE
Los ciclos ideales de los motores de combustión interna tienen un nivel elevado de simplificación, que solamente permite analizar los aspectos cualitativos de los procesos termodinámicos reales y su eficiencia.
No se analizan los procesos de combustión, ni los fenómenos de transferencia de calor en los motores.
El análisis termodinámico se realiza a través de cuatro procesos secuenciales que incluyen:
LA COMPRESIÓN VOLUMÉTRICA DEL AIRE O LA MEZCLA DE AIRE Y COMBUSTIBLE. Es el número que permite medir la proporción en volumen, que se ha comprimido la mezcla de airecombustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro. La relación de compresión volumétrica en un motor de combustión interna Es decir el volumen máximo o total (volumen desplazado más el de la cámara de combustión) entre el volumen mínimo (volumen de la cámara de combustión)
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Para calcular su valor teórico se utiliza la siguiente ecuación:
Dónde:
d = diámetro del cilindro. s = carrera del pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior Vc = volumen de la cámara de combustión. RC = es la relación de compresión y es adimensional.
Los modernos motores de:
camiones,
barcos,
turbinas de gas
Son ejemplos de aplicaciones extremadamente útiles de estos
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Tipos de motores de Combustión Interna.
Motor convencional del tipo Otto.
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T).
La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos
Motores diésel
La combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante.
La mayoría de los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviario o marino, que son de dos tiempos.
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Funcionamiento. Tiempo de admisión: El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión. Tiempo de compresión: La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía. Tiempo de combustión: El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo. Tiempo de escape: Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.
•
•
Motor convencional del tipo Otto.
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•
Tiempo de admisión: el pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. Tiempo de compresión, en que el pistón se acerca, el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. Tiempo de trabajo, los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. Tiempo de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro.
•
•
Motores diésel
•
•
Las idealizaciones y suposiciones empleadas en el análisis de los ciclos de potencia son principalmente:
Están muy bien aisladas y la transferencia de calor a través de ellas es insignificante.
1) El ciclo no implica ninguna fricción
3) Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de n sistema
Es decir, el fluido de trabajo no experimenta ninguna caída depresión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor.
2) Todos los procesos de expansión y compresión ocurren en la forma de cuasiequilibrio.
4) Se ignoran los cambios en las energías cinética y potencial del fluido de trabajo.
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El vapor experimenta el mismo ciclo termodinámico,
El vapor es el fluido de trabajo más comúnmente usado en ciclos de potencia de vapor debido a sus muchas y atractivas características como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporización. bien sea, en una central carboeléctrica, nucleoeléctrica o central eléctrica de gas natural según el tipo de combustible que se emplee para suministrarle calor.
CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformacione s isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
T O N R A C E D O L C I C
e d e t n o e i l c u i c g i s l l e e d s e a V c i f p á r a g m D-A a n r ó i g i c a a t d n n e u s n e r e p t e r o n r a a L C
Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo adiabática
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La presión p B se calcula a partir de la ecuación del gas ideal
Transformación A->B (isoterma)
Variación de energía interna
Trabajo Calor
La ecuación de estado adiabática es
Transformac ión B->C (adiabática)
o bien, . Se despeja vc de la ecuación de la adiabática . Conocido vc y T 2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas
ideal.
.
Calor Variación de energía interna
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•
Una máquina que funcione según el principio de Carnot
. ° 1
•
Cuyo rendimiento efectivo sea igual al rendimiento máximo constituye una máquina perfecta, que no es realizable, pero cuyos caracteres deben conocerse para poder aproximarse a ellos lo más posible. Las transformaciones a las que se somete un fluido pueden realizarse de dos formas distintas
A temperatura constante se obtiene una compresión o una expansión llamada isotérmica, que tiene lugar cuando la variación del volumen se hace en un recinto, mantenido a temperatura constante, que absorbe todo el calentamiento producido en el gas o en el vapor, o que cede calor, si la temperatura tiende a bajar por causa de la expansión. Si se trata de un gas al que puede aplicarse la ley de Boyle-Mariotte, la curva de presión en función del volumen será una curva equilátera representada por la ecuación pv= constante
Cuando el recinto donde se produce la expansión o la compresión está completamente aislado del calor que ninguna de las variaciones de la temperatura del medio que ocupa este recinto puede reducirse por una pérdida de calor a través de las paredes, la transformación se llama adiabática.
2 ° .
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LOS CICLOS DE ERICSSON Y STIRLING
El efecto combinado de interenfriamiento, recalentamiento y regeneración.
Es un aumento en la eficiencia térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas.
El ciclo se puede representar mediante dos etapas a temperaturas constantes y dos procesos a presión constante con regeneración.
En tal situación los procesos isoentropicos de compresión y expansión pasan a ser isotérmicos
Es interesante examinar que pasa cuando el número de etapas tanto de interenfriameiento y de recalentamiento se hace infinitamente grande.
A un proceso así se le llama ciclo de Ericsson.
En este el fluido se expande isotérmicamente del estado 1 al 2 a través de una turbina se produce trabajo y el calor se absorbe reversiblemente desde un deposito a Ta,
luego el fluido se enfría a presión constante en un regenerador, del estado 3 al 4 el fluido se comprime isotérmicamente.
Esto requiere una entrada de trabajo y una expulsión reversible de calor hacia un deposito a Tb,
Por último el fluido se calienta a presión constante hasta el estado inicial haciéndolo pasar a contracorriente a través del regenerador como la única transferencia de calor externa actúa sobre los depósitos y como todos los procesos son reversibles, la eficiencia es igual a la del ciclo de Carnot.
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No obstante el ciclo de Ericsson es impractico,
Este ciclo se considera el básico en el análisis de turbinas. Este es un ciclo simple para una turbina de gas se emplea equipo separado para los diversos tipos de procesos del ciclo.
N O T Y A R B E D O L C I C
Otro ciclo de mas importancia pero critico y que incorpora un regenerador en su esquema es el ciclo Stirling,
sirve para mostrar como podría colocarse un regenerador para aumentar la eficiencia térmica.
Este se compone de 2 procesos isotérmicos reversibles y dos procesos a volumen constante también reversibles.
El gas se expande isotérmicamente a partir del estado inicial 1 al 2 añadiendose calor desde un depósito a temp.
Ta, del estado 2 al 3 se elimina energía a volúmenes constante hasta que la temperatura del fluido es igual a Tb
luego el volumen se reduce de manera isotérmica hasta su valor original, extrayéndose calor reversiblemente hasta un segundo deposito a Tb,
finalmente se añade calor a volumen constante desde un estado 4 al 1. Aplicando un balance de energía para estos dos procesos se ve que son de la misma magnitud.
A continuación se define primero lo que es un ciclo abierto, al inicio el aire se comprime en forma adiabatica en compresor rotatorio axial o centrifugo,
el aire entra a una cámara de combustión donde se inyecta y quema combustible a presión constante,
los productos de esta combustión luego se expanden en una turbina hasta alcanza la presión ambiente de los alrededores.
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Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya que debe introducirse aire continuamente. En el ciclo de Brayton idealizado en comparación al de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de presiones y temperatura espera en un intervalo de volumen m s amplio, esto hace que no sea adecuado para el uso en máquinas alternativas.
Si se agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la eficiencia.
Debido a que los gases que se expanden están más calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansión es mayor que el de compresión; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos
Añadiendo además de interenfriamiento en el compresor y recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida de potencia para un tamaño dado de turbina de gas.
Este ciclo consta de compresión adiabatica, calentamiento a presión constante y expansión adiabática
depende principalmente de la relación de presiones, la temperatura de admisión a la turbina y las perdidas parásitas
n. Br = 1 1/(p2/p1)^(k1)/k
Se puede demostrar que la eficiencia térmica depende solo de la relación de presiones en el compresor (p2/p1).
La eficiencia térmica del ciclo de Brayton
(en especial las eficiencias del compresor y de la turbina).
En el caso teórico de un aire estándar ideal sin perdidas internas
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Este ciclo se compone E de cuatro procesos N distintos. I Comenzando con la Kbomba de Nalimentación, el líquido Aque entra al calentador lleva primero a la Rse presión del calentador. E La energía para el Dcalentamiento y la vaporización del líquido Oestá proporcionada por L la acción del combustible en el C I calentador. C •
•
•
Si se requiere el sobrecalentamiento del vapor, este también puede lograrse en el calentador. El vapor sale del generador de vapor y se expande en forma isoentrópica en un motor primario hasta proporcionar la salida de trabajo del ciclo.
•
•
Los cuatro componentes utilizados del ciclo de Rankine dispositivos de flujo estable por lo cual los cuatro procesos que conforman el ciclo Rankine son analizados como procesos de flujo estable; la ecuación de energía de flujo estable para estos dispositivos(la energía cinética y potencial del vapor son pequeños comparados con la transferencia de calor y trabajo) por unidad de masa de vapor se reduce a:
•
•
Adición de calor a presión constante en una caldera El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en estado 3.
La caldera es básicamente un gran intercambiador de calor donde este se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes y se transfiere al agua a presión constante.
La caldera con el sobrecalentador (donde se sobrecalienta el vapor) recibe el nombre de generador de vapor. La primera ley de la termodinámica para la caldera se expresa como:
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COP= Qent./Wnet.
Éste utiliza un sistema del tipo de compresión mecánica de un vapor. Ciclo Inverso De Carnot (Ciclo Frigorífico)
El índice de eficacia de un sistema de refrigeración no es una eficiencia, sino la relación conocida como coeficiente de funcionamiento (COP), que se define como el calor suministrado dividido entre el trabajo neto realizado:
Como el ciclo de Carnot es el mejor u óptimo posible, el COP (o CF) correspondiente a tal ciclo suele utilizarse como base de comparación de los valores de COP obtenidos en otros ciclos.
1.5 Conclusiones:
A través del presente trabajo se ha analizado el procedimiento del experimento de joule que consiste en demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica. A través de la investigación bibliográfica se ha detallado el procedimiento donde el aparato consistía esencialmente en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas De hecho ocho brazos revolventes, girando entre cuatro c onjuntos de paletas
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estacionarias agitar el líquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas, el eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido. El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo, al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en el recipiente. Se ha identificado las principales características de los motores la compresión volumétrica del aire o la mezcla de aire y combustible, y los ciclos de potencia de vapor.
1.6 Referencias Bibliográficas
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[1]BIBLIOTECA DIGITAL, CIENCIA, MEXICO. DISPONIBLE [ONLINE]: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/05/htm/s ec_6.html [2]ACADEMIA, CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR, 2015. DISPONIBLE [ONLINE]: http://www.academia.edu/7518059/CICLOS_DE_POTENCIA_DE_VAPOR
