Reporte Laboratorio No. 5 UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE Facultad de Ciencias Básicas Laboratorio de de Física II Periodo de 2014 Maquina Térmica JOSE LEONARDO QUITIAQUEZ MARIN 2117009 SANDRA FRANCO MURIEL 2060967 CESAR AUGUSTO PAZ ALVAREZ 2120341 Universidad Autónoma de Occidente, Ala Norte 2 piso, Cali Colombia
RESUMEN En nuestra práctica de laboratorio se tenía como objetivo, de manera experimental y guiada, de poner a prueba los conceptos vistos y aprendidos durante las clases anteriores en la práctica de laboratorio, de esta manera se estudia ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula. No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema. INTRODUCCION El reporte de este laboratorio, presenta una descripción detallada de los hechos, relacionados con el experimento realizado en el laboratorio de Física 2, donde se evaluaron las características de los procesos termodinámicos. Estudiar un diagrama P-V para un ciclo de una máquina térmica y encontrar el trabajo termodinámico útil realizado por dicha máquina. El El teorema de Carnot establece que el rendimiento de una una máquina térmica es siempre menor o igual que el de una máquina térmica reversible que opere entre las mismas temperaturas. Como corolario, el rendimiento de todas las máquinas térmicas reversibles que operen entre las mismas temperaturas es el mismo, independientemente del sistema físico que corresponda a la máquina. Puede ser un gas ideal sometido a compresiones o expansiones, puede ser un material paramagnético sometido a campos magnéticos variables, puede ser un sistema bifásico formado por agua y vapor de agua… el resultado es siem pre el mismo. Este resultado, ya de por sí bastante contundente, nos permite además calcular el rendimiento máximo que puede tener una máquina térmica. Nos basta con diseñar una máquina térmica
Reporte Laboratorio No. 5 UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE Facultad de Ciencias Básicas Laboratorio de Física II Periodo de 2014 Maquina Térmica JOSE LEONARDO QUITIAQUEZ MARIN 2117009 SANDRA FRANCO MURIEL 2060967 CESAR AUGUSTO PAZ ALVAREZ 2120341 Universidad Autónoma de Occidente, Ala Norte 2 piso, Cali Colombia reversible y hallar su rendimiento. El de todas las demás reversibles será el mismo, y el de las irreversibles será menor. Existen varias posibilidades: el ciclo de Carnot, el ciclo Stirling o el ciclo Ericsson, por ejemplo. Aquí describiremos el ciclo de Carnot, que es el más importante de ellos . OBJETIVO: Familiarizarse con los ciclos termodinámicos, en forma práctica y física. Comprender el funcionamiento de los ciclos termodinámicos y aplicarlos En máquinas de combustión interna, plantas térmicas y sistemas de Refrigeración.
Reporte En la práctica de laboratorio desarrollamos los siguientes pasos: Procesos Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica que estamos diseñando debe tomar calor de un foco caliente, cuya temperatura es como máximo T c y verter el calor de desecho en el foco frío, situado como mínimo a una temperatura T f. Para que el ciclo sea óptimo, todo el calor absorbido debería tomarse a la temperatura máxima, y todo el calor de desecho, cederse a la temperatura mínima. Por ello, el ciclo que estamos buscando debe incluir dos procesos isotermos, uno de absorción de calor a T c y uno de cesión a T f. Para conectar esas dos isotermas (esto es, para calentar el sistema antes de la absorción y enfriarlo antes de la cesión), debemos incluir procesos que no supongan un intercambio de calor con el exterior (ya que todo el intercambio se produce en los procesos isotermos). La forma más sencilla de conseguir esto es mediante dos procesos adiabáticos reversibles (no es la única forma, el motor de Stirling utiliza otro método, la recirculación). Por tanto, nuestra máquina térmica debe constar de cuatro pasos:
B→C Absorción de calor Qc en un proceso isotermo a temperatura T c. A→B Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del foco frío, T f.
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D→A Cesión de calor | Qf | al foco frío a temperatura T f . C→D Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, T f a la temperatura del foco caliente, T c.
Como ejemplo de Ciclo de Carnot consideraremos el caso de una máquina térmica compuesta por un gas ideal situado en el interior de un cilindro con un pistón. Para que el ciclo sea reversible debemos suponer que no existe fricción en el sistema y todos los procesos son cuasiestáticos. Para un sistema de este tipo los cuatro pasos son los siguientes:
Expansión isoterma B→C
El gas se pone en contacto con el foco caliente a T c y se expande lentamente. Se extrae trabajo del sistema, lo que provocaría un enfriamiento a una temperatura ligeramente inferior a T c, que es compensado por la entrada de calor Qc desde el baño térmico. Puesto que la diferencia de temperaturas entre el baño y el gas es siempre diferencial, este proceso es reversible. De esta manera la temperatura permanece constante. En el diagrama pV, los puntos de este paso están sobre una hipérbola dada por la ley de los gases ideales
Expansión adiabática A→B
El gas se aísla térmicamente del exterior y se continúa expandiendo. Se está realizando un trabajo adicional, que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es un enfriamiento según una curva dada por la ley de Poisson
Compresión isoterma D→A
Una vez que ha alcanzado la temperatura del foco frío, el gas vuelve a ponerse en contacto con el exterior (que ahora es un baño a temperatura T f). Al comprimirlo el gas tiende a calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura permanece constante. Esta paso es de nuevo una hipérbola según la lay de los gases ideales.
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Compresión adiabática C→D
El gas se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia del trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. Los puntos de este camino están unidos por una curva dada por la ley de Poisson.
Causas de error Perdidas de energía térmica mínimas entre los sistemas y su alrededor, al no estar perfectamente aislados de su entorno, cualquier cuerpo que está en contacto o que hace parte del sistema puede robar calor. No se estimó la medida del pistón lo que dificulto la realización del desarrollo de la práctica. No se ajustó bien la manguera del pistón lo que ocasiono perdida de aire.
Conclusiones
Tras el resultado obtenido, pudo comprobarse que efectivamente, dos sustancias que se encuentran a temperaturas diferentes, al exponerse el uno al otro a contacto térmico, se produce una transferencia de energía térmica
En toda práctica de laboratorio, se debe tener en cuenta la realización correcta de los pasos dictados, para así, reducir en lo mejor posible, las causas de error del mismo, y obtener resultados que arrojen mejores conclusiones.
Hubo un intercambio de energía térmica Q del sistema con el medio, y a pesar de ser en una cantidad mínima, en termodinámica es algo muy apreciable, que puede cambiar en gran cantidad los resultados obtenidos, pero lo que más realizo cambio en los resultados fue el PISTON que no se tuvo en cuenta en el experimento, este pistón estuvo en contacto con el agua todo el tiempo y aquí se realizó una gran transferencia de calor que no se tuvo en cuenta.
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En el momento en que se vertió el agua caliente en el recipiente de agua a temperatura ambiente, la temperatura llega a un punto de equilibrio y luego empieza a disminuir de manera adiabática,
Bibliografía
Física universitaria, edición 12, volumen 1, Sears Zemansky – Young Friedman, capítulo 20,
2. Guía de laboratorio de física II, Determinación del calor específico del calorímetro.
