Realización de un motor a vapor casero
Planteamiento del problema:
“vendo lo que todo el mundo quiere tener: energía.” James watt
A lo largo de la historia el hombre ha utilizado el vapor producido al calentar el agua. Varios inventos funcionaban con este vapor, pero no fue hasta 1972 cuando Newcomen inventó una máquina que realmente realizaba un trabajo para el hombre, bombeando el agua que se producía en el interior de d e la minas. Todo inicio con la revolución industrial que modificó el curso de la historia de la civilización en los últimos decenios del siglo XVIII. Como consecuencia de la creación y difusión de estos equipos, se verificó una expansión económica sin precedentes en Inglaterra, con expansión posterior hacia el resto de Europa Occidental, los Estados Unidos y otras naciones del mundo. La mayor producción industrial resultante modificó el patrón de comercio en los cinco continentes e influyó indirectamente en la independencia de las colonias imperiales en distintas regiones de la Tierra.
En la actualidad pueden realizarse simulación de experimentos que involucren la realización de motores a vapor casero el cual es lo que se busca con esta investigación, invest igación, utilizando implementos i mplementos poco convencionales que ilustren didácticamente como funcionan estas maquinas aplicando conceptos físicos especialmente de la termodinámica.
Justificación.
Una máquina de vapor es una máquina que utiliza el vapor producido en un fluido (agua) al calentarlo para producir trabajo, en otras palabras La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica contenida en el vapor de agua en energía mecánica1. Por ejemplo: El vapor de agua generado en una caldera cerrada produce la expansión del volumen de un cilindro, que empuja a un pistón. Mediante un balancín, el movimiento de subida y bajada del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, puede darse el caso de las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico, una vez alcanzado el final de la carrera, el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua1. Pueden observarse en la actualidad maquinas térmicas, tal es el caso de los automóviles y vehículos te transporte público y privado. Dichas maquinas como se dijo anterior mente so dispositivos que toman energía por calor y, al funcionar en un proceso cíclico, expulsa una fracción de dicha energía mediante trabajo. Las maquinas a vapor resultan de vital importancia en el siglo actual ya que su tecnología simple y bajo costo constituyen parámetros que hacen que la máquina de vapor puede constituir en una herramienta para comunidades pequeñas o como complemento para la obtención de energía en forma rápida y accesible. El presente trabajo pretende de una manera modesta dar a conocer como se realiza una maquina a vapor casera la cual servirá para ilustrar de manera didáctica como funcionan estas en realidad
OBJETIVOS GENERAL
Realizar un motor a vapor casero utilizando una lata de refresco gaseoso.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer la temática que fundamenta como se realiza y funciona un motor a vapor . Conocer cómo funciona un motor a vapor convencional
Antecedentes
La importancia de la máquina de vapor radica en su participación en la llamada Revolución Industrial, que modificó el curso de la historia de la civilización en los últimos decenios del siglo XVIII. Como consecuencia de la creación y difusión de estos equipos, se verificó una expansión económica sin precedentes en Inglaterra, con expansión posterior hacia el resto de Europa Occidental, los Estados Unidos y otras naciones del mundo. La mayor producción industrial resultante modificó el patrón de comercio en los cinco continentes e influyó indirectamente en la independencia de las colonias imperiales en distintas regiones de la Tierra. En términos simplificados, la máquina de vapor constituye un modelo de motor de combustión externa. El calentamiento de agua con inducción de formación de vapor permite la liberación de grandes alícuotas de energía térmica, la cual es reconvertida en energía mecánica por medio de un proceso que involucra pistones, bielas y manivelas. Esta cadena de transmisión permite generar un movimiento de rotación que genera la propulsión necesaria para estructuras fabriles o para distintos vehículos, incluidos locomotoras y barcos
La segunda ley de la termodinámica establece que es imposible construir una máquina térmica que, al funcionar en un ciclo, no produzca otro efecto que la entrada de energía por calor (El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores) desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo (enunciado de Kelvin – Planck). Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía, mediante calor, de un objeto a otro a una mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo (enunciado de Clausius1
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Una máquina térmica es un dispositivo que toma energía por calor y, al funcionar en un proceso cíclico, expulsa una fracción de dicha energía mediante trabajo. En una máquina térmica la dirección de la transferencia de energía es del depósito caliente al depósito frío, que es la dirección natural. La función de la máquina térmica es procesar la energía del depósito caliente de modo que se transforme en trabajo útil. Por ejemplo, en un proceso representativo por el que una planta de energía produce electricidad, un combustible, como carbón, se quema y los gases de alta temperatura producidos se usan para convertir agua líquida en vapor. Este vapor se dirige a las aspas de una turbina y las pone a girar. La energía mecánica asociada con esta rotación se usa para impulsar un generador eléctrico. Otro dispositivo que se modela como máquina térmica es el motor de combustión interna de un automóvil. Este dispositivo usa energía de la quema de un combustible para realizar trabajo sobre pistones, lo que resulta en el movimiento del automóvil.
Una máquina térmica lleva alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico durante el que 1) la sustancia de trabajo absorbe energía por calor de un depósito de energía a alta temperatura, 2) la máquina consume trabajo y 3) se expulsa energía por calor a un depósito a temperatura más baja.1 Podemos describir un ejemplo de una maquina térmica que absorbe una cantidad de energía Q h del depósito caliente. Para la explicación matemática de las máquinas térmicas, se usan valores absolutos para hacer positivas todas las transferencias de energía y la dirección de transferencia se indica con un signo explícito, positivo o negativo. La máquina realiza trabajo Wmáq (de modo que el trabajo negativo W Wmáq se consume en la máquina) y después entrega una cantidad de energía Q c al depósito frío. Ya que la sustancia de trabajo pasa a través de un ciclo, sus energías internas inicial y final son iguales: $Eint 0. Por lo tanto, a partir de la primera ley de la termodinámica, $Eint Q W Q Wmáq 0, y el trabajo neto Wmáq realizado1
Por ejemplo, en un proceso representativo por el que una planta de energía produce electricidad, un combustible, como carbón, se quema y los gases de alta temperatura producidos se usan para convertir agua líquida en vapor. Este vapor se dirige a las aspas de una turbina y las pone a girar. La energía mecánica asociada con esta rotación se usa para impulsar un generador eléctrico. Otro dispositivo que se modela como máquina térmica es el motor de combustión interna de un automóvil. Este dispositivo usa energía de la quema de un combustible para realizar trabajo sobre pistones, lo que resulta en el movimiento del automóvil por una máquina térmica es igual a la energía neta Qneta que se le transfiere. Es de suma importancia incluir un teorema que ayuda a argumentar y ahondar más en el tema el cual es el teorema de carnot que dice que Ninguna máquina térmica que funcione entre dos depósitos de energía puede ser más eficiente que una máquina de Carnot que funcione entre los mismos dos depósitos. Para probar la validez de este teorema, imagine dos máquinas térmicas que funcionan entre los mismos depósitos de energía. Una es una máquina de Carnot con eficiencia eC, y la otra es una máquina con eficiencia e, donde se supone eC. Ya que el ciclo en la máquina de Carnot es reversible, la máquina puede funcionar en reversa como un refrigerador. La máquina más eficiente se usa para impulsar la máquina de Carnot como un refrigerador de Carnot. La salida por trabajo de la máquina más eficiente se iguala con la entrada por trabajo del refrigerador de Carnot. Para la combinación de máquina y refrigerador, no ocurre intercambio por trabajo con los alrededores. Ya que se supuso que la máquina es más eficiente que el refrigerador, el resultado neto de la combinación es una transferencia de energía del depósito frío al caliente sin que se realice trabajo sobre la combinación. De acuerdo con el enunciado de Clausius sobre la segunda ley, este proceso es imposible. Por tanto, la suposición eC debe ser falsa. Todas las máquinas reales son menos eficientes que la máquina de Carnot porque no funcionan a través de un ciclo reversible. La eficiencia de
una máquina real se reduce aún más por dificultades prácticas como fricción y pérdidas de energía por conducción. Para describir el ciclo de Carnot que tiene lugar entre las temperaturas Tc y Th, suponga que la sustancia de trabajo es un gas ideal contenido en un cilindro adaptado con un pistón móvil en un extremo. Las paredes del cilindro y el pistón son térmicamente no conductoras. Existen cuatro etapas del ciclo de Carnot, y diagrama PV para el ciclo. El ciclo de Carnot consiste de dos procesos adiabáticos y dos procesos isotérmicos, todos reversibles: 1. El proceso A - B: es una expansión isotérmica a temperatura Th. El gas se coloca en contacto térmico con un depósito de energía a temperatura Th. Durante la expansión, el gas absorbe energía Q h del depósito a través de la base del cilindro y realiza trabajo WAB para elevar el pistón. 2. En el proceso B -C, la base del cilindro se sustituye por una pared térmicamente no conductora y el gas se expande adiabáticamente; esto es, no entra ni sale energía del sistema por calor. Durante la expansión, la temperatura del gas disminuye de Th a Tc y el gas realiza trabajo WBC para elevar el pistón. 3. En el proceso C – D, el gas se coloca en contacto térmico con un depósito de energía a temperatura Tc y se comprime isotérmicamente a temperatura Tc. Durante este tiempo, el gas expulsa energía Q c al depósito y el trabajo que el pistón realiza sobre el gas es WCD. 4. En el proceso final D - A, la base del cilindro se sustituye por una pared no conductora y el gas se comprime adiabáticamente. La temperatura del gas aumenta a Th y el trabajo que el pistón realiza sobre el gas es WDA. La eficiencia térmica de la máquina está dada por la ecuación:
Hipótesis
Por medido de la presentación didáctica de un modelo de motor de vapor casero puede conocerse la relación de este con la física especialmente la termodinámica. Supuesto
El motor a vapor será realizado en un ambiente con poca ventilación para que no se afecten los resultados del experimento debido a que se utilizan mecheros
Cronograma
Este proyecto puede llevarse a cabo en 1 semana puesto que se realizan varias replicas del mismo. Estimación de Recursos Un estudio de esta naturaleza puede tener un costo minimo de:
Bibliografía
... de Importancia: https://www.importancia.org/maquina-devapor.php Serway 1 edicion
