MAQUINAS TERMICAS: EOLIPILA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

María del Pilar Solano 1650234; Julian Camilo Angarita 1650236; Mario Herrera Higuera 1650153

RESUMEN

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y mecánica. Hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual:

Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.

La máquina realiza un trabajo. Libera calor a una fuente a

temperatura más baja.

En un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua. El vapor se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Por último, la energía mecánica asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico. El motor de combustión interna en un automóvil

extrae calor del combustible en combustión y convierte una fracción de esta energía mecánica.

Una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial.

La prueba se hace mediante la utilización del Eolo de Herón o eolípila que es una máquina constituida por una cámara de aire (generalmente una esfera o un cilindro), con tubos curvos por donde es expulsado el vapor. La fuerza resultante por esta expulsión hace que el mecanismo comience a girar, según la ley de acción-reacción.

La eolípila fue inventada en el siglo I por el ingeniero griego Herón de Alejandría. Está considerada como la primera máquina térmica de la historia.

PALABRAS CLAVE

Maquina térmica Trabajo Absorción de Calor Vapor Eolípila

ABSTRACT

A heat engine is a device that converts thermal energy into other useful forms of energy, such as electrical and mechanical energy. It makes a substance scroll a Working Process During the cyclical whatever:

• A heat source of high temperature is absorbed.

• The machine performs work of the UN.

• Releases heat of a A source of a lower temperature.

In a typical process of paragraph Producing electricity power plant, coal or some other fuel is burned and heat generated paragraph produce steam is used. The vapor is burned and heat generated paragraph produce water vapor utilization. The steam is directed towards the blades of a turbine, putting one Turn. Finally, the mechanical energy Associated rotation Bliss for a engine generator. The internal combustion engine in an automobile extracts heat from the burning fuel and converts a fraction of esta mechanical energy.

Some thermal machine working substance carries one through the UN cyclical process is defined as one which returns from the one Substance its initial state.

The test is done by using the Eolo Heron or aeolipile which is a machine consisting of an air chamber (usually a sphere or cylinder des), with curved tubes through which steam is exhausted. The resultant force by This expulsion causes the mechanism to start a rotating according to the law of Action-Reaction.

The aeolipile was invented in the first century by the Greek engineer Hero

of Alexandria. It is considered as the first heat of machine history.

KEYWORDS

• Heat engine

• Work

• Absorption Heat

• Steam

• Aeolipile

INTRODUCCION.

Una máquina térmica es un conjunto

de elementos mecánicos que permite

intercambiar energía, generalmente a

través de un eje, mediante la

variación de energía de un fluido que

varía su densidad significativamente

al atravesar la máquina. Se trata de

una máquina de fluido en la que varía

el volumen específico del fluido en tal

magnitud que los efectos mecánicos

y los efectos térmicos son

interdependientes. La eficiencia de

algunas máquinas térmicas usadas

hoy en día, oscila entre el 3% para

los sistemas de conversión de

energía térmica del océano, el 25%

para la mayor parte de los motores de

automóviles, el 35% para una planta

generadora de carbón supercrítico, y

el 60% para una turbina de gas de

ciclo combinado con enfriamiento de

vapor.

Los sistemas de conversión de

energía térmica del océano, emplean

la diferencia de temperatura entre el

agua de la superficie y el agua en las

profundidades del océano, es decir,

una diferencia de tal vez 25 grados

Celsius, por lo que la eficiencia debe

ser baja. Por otra parte, las turbinas

de ciclo combinado utilizan

quemadores de gas natural para

calentar aire hasta cerca de 1530

grados Celsius, es decir, una

diferencia de hasta 1500 grados, por

lo que la eficiencia puede ser mayor

cuando se añade el ciclo de

enfriamiento de vapor.

La termodinámica  es una rama de la

física que estudia los efectos de los

cambios de magnitudes de los

sistemas a un nivel macroscópico.

Constituye una teoría

fenomenológica, a partir de

razonamientos deductivos, que

estudia sistemas reales sin

modernizar y sigue un método

experimental. Estudia los cambios

ocurridos en la temperatura, presión y

volumen, aunque también estudia

cambios en otras magnitudes, tales

como la magnetización, el potencial

químico, la fuerza electromotriz, etc.

Históricamente, la termodinámica se

desarrolló a partir de la necesidad de

aumentar la eficiencia de las primeras

máquinas de vapor.

Algunas de las máquinas térmicas que se construyeron en la antigüedad fueron tomadas como mera curiosidad de laboratorio, otros se diseñaron con el fin de trabajar en propósitos eminentemente prácticos. En tiempos del del nacimiento de Cristo existían algunos modelos de máquinas térmicas, entendidas en esa época como instrumentos para la creación de movimientos autónomos, sin la participación de la tracción a sangre.

El ingenio más conocido por las crónicas de la época es la eolipila de Herón que usaba la reacción producida por el vapor al salir por un orificio para lograr un movimiento. Esta máquina es la primera aplicación del principio que usan actualmente las llamadas turbinas de reacción.

La eolípila es una máquina de reacción que puede ser considerada la precursora de los modernos motores de propulsión a chorro.

Figura 1. Eliopila

MÉTODOS Y MATERIALES

OBJETIVOS.

• Demostrar la segunda ley de la termodinámica mediante una maquina térmica a pequeña escala.

• Analizar las aplicaciones de la termodinámica directamente en un proceso real.

MARCO TEORICO.

MÁQUINAS TÉRMICAS Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y mecánica. Hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual:

- Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.

- La máquina realiza un trabajo

- Libera calor a una fuente a temperatura más baja.

En un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se utiliza para producir

vapor de agua. El vapor se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Por último, la energía mecánica asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico. El motor de combustión interna en un automóvil extrae calor del combustible en combustión y convierte una fracción de esta energía mecánica.

Una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial.

El trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma.

Q neto= Qh- Qc ; por lo tanto:

W=Qh - Qc

Donde Qh y Qc se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa a tal proceso en un diagrama PV.

La eficiencia térmica, de una máquina térmica se define como la razón del trabajo neto realizado al calor absorbido durante un ciclo:

e=W = Qh-Qc=1-Qc

Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia

de 100% (e=1) sólo si Qc=0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calorífica absorbida Qh en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible.

Un refrigerador (o bomba de calor) es una máquina térmica que opera en sentido inverso, en la cual la máquina absorbe el calor Qc de la fuente fría y libera calor Qh a la fuente caliente. Esto sólo puede ser posible si se hace un trabajo sobre el refrigerador. Por lo tanto, se ve que el refrigerador transfiere calor del cuerpo más frío (el contenido del refrigerador) a un cuerpo más caliente (el cuarto).

Figura 2. Representación de una maquina térmica industrial.

La conservación de la energía (primera ley) pone límites a los procesos Posibles, pero existen muchos procesos que la cumplen y no tienen lugar.

Estos procesos tienen lugar espontáneamente en una dirección

pero no en la dirección´ opuesta. La segunda ley nos permite distinguir en Qué dirección tiene lugar un proceso espontáneamente es la única ley física que realiza una afirmación sobre el sentido de la flecha del tiempo. Sus fundamentos son estadísticos y es una de las leyes más generales de la física, con respecto a su rango de aplicación.

La segunda ley de la termodinámica establece cuáles procesos pueden ocurrir y cuáles no en la naturaleza. Los siguientes son ejemplos de procesos que son consistentes con la primera ley de la termodinámica pero que proceden de un orden gobernado por la segunda ley:

Cuando dos objetos a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, la energía térmica siempre fluye del objeto más caliente al más frío, nunca del más frío al más caliente.

Una bola de hule que se deja caer al suelo rebota varias veces y finalmente queda en reposo, pero una bola que se encuentra en el suelo nunca empieza a botar por sí sola.

Debido a los choques con las moléculas de aire y la fricción, un péndulo oscilante finalmente se detiene en el punto de suspensión. La energía mecánica se convierte en energía térmica; la transformación inversa de energía nunca ocurre.

Figura 3. Representación esquemática de una máquina

térmica. La máquina absorbe energía térmica Qc de un depósito caliente,

libera la energía térmica Qf al depósito frío y efectúa un trabajo W.

MAQUINA TERMICA DE HERON.

Entre las reliquias de la civilización egipcia encontramos el primer registro conocido de una máquina de vapor en el manuscrito de Herón de Alejandría titulado Spiritalia seu Pneumatica. Los aparatos allí descritos no se saben con certeza si fueron obra del ingenio de Herón o si por él simplemente los recopiló en el libro, porque él mismo dice en su obra que su intención no es otra que recopilar las máquinas que ya eran conocidas y añadir las inventadas por él. En fin, que aquí se abre y se cierra la duda sobre si fue Herón o no el inventor de la máquina de vapor. Nada en el texto indica quién pudo ser el artífice de los dispositivos descritos y se sospecha que muchos

puedan ser, en realidad, obra de Ctesibio, de quien Herón fue pupilo.

La eolípila (Figura 1) es la precursora de la máquina de vapor. El artefacto mecánico diseñado con este nombre consistía en un gran calderín metálico sellado, lleno de agua, que se colocaba sobre el fuego. Los chorros de vapor que escapaban por dos salientes en forma de L provocaban la rotación de la máquina. Este ingenio fue utilizado sobre todo como entretenimiento, y no hubo más investigaciones sobre el vapor como fuente de energía hasta la máquina de Papin, en 1681.

Una de las aplicaciones de su invento "la Máquina de vapor" y que podemos destacar, son las llamadas puertas de Alejandria, las cuales, son un sistema automatizado de apertura y cierre de las mismas. La explicación de esto es la siguiente: El fuego calienta el aire del deposito hueco que hay debajo del mismo. Al aumentar la presión del aire debido a la temperatura, el agua de la bola se desplaza hacia el cubo. Y, en consecuencia, el peso del cubo hace girar los ejes de las puertas, abriéndolas.

Cuando el fuego se apaga, ocurre el proceso contrario. El aire se enfría y disminuye su volumen, el agua se absorbe de nuevo hacia la bola con lo cual las puertas se cierran por la acción del contrapeso.

¿Cómo funciona una maquina térmica casera?

Las máquinas térmicas funcionan cíclicamente y realizan la conversión de energía por medio de un fluido de trabajo que a su vez puede sufrir una evolución cíclica (como en las centrales nucleares y solares, frigoríficos y bombas) o no (como es el caso más general de motores de combustión). Incluso en este último caso, donde en cada ciclo de la máquina entran unas sustancias frescas (combustible más comburente) y salen unas sustancias quemadas, es conveniente estudiar el modelo llamado de "aire estándar" en el cual se supone que el fluido de trabajo es aire puro, no cambia de composición, recibe calor de un foco exterior en la zona de combustión y cede calor al ambiente.

No se va a considerar aquí el diseño mecánico de las máquinas térmicas, el sistema de renovación de la carga, el sistema de lubricación, el de inyección y el de encendido (si los hubiera), ni la regulación, control y actuaciones en régimen o fuera de él, sino exclusivamente los aspectos termodinámicos de las máquinas térmicas, y aun éstos con una gran idealización en la que P.e. ni siquiera se contemplan los procesos reales de combustión. Además, en primera aproximación se suele considerar que la evolución del fluido de trabajo es sin degradación de energía (en particular, sin fricción) y, lo que es

más exagerado, que la transmisión de calor entre el fluido de trabajo y las fuentes y sumideros exteriores apenas requiere salto de temperaturas para realizarse. Como esta última simplificación es demasiado drástica, casi siempre se suele incluir en el modelo de estudio de las máquinas térmicas un salto finito de temperaturas a través de los cambiadores de calor entre los focos y el fluido de trabajo.

El fluido de trabajo ha de sufrir transformaciones termodinámicas en las que estén acopladas la energía térmica y la energía mecánica, por lo que las sustancias condensadas apenas tienen interés, y los fluidos de trabajo son gases o vapores (estos últimos se diferencian de los anteriores en que en algún punto del ciclo tiene lugar el cambio de fase a líquido (en otro punto volverá de líquido a vapor)). Además de estos ciclos de gas (mono componente o mezcla) y vapor (mono componente), existen ciclos en los que evoluciona una mezcla con cambio de fase (p.e. frigoríficos y bombas de absorción) y, como se dijo al principio, evoluciones no cíclicas de sistemas reactantes (que precisamente son las que generan el 80% de la energía mecánica mundial; el resto es nuclear o hidroeléctrica).

EFICIENCIA TERMICA.

La eficiencia térmica, de una máquina térmica se define como el cociente del trabajo neto realizado a la energía

térmica absorbida a una temperatura más alta durante el ciclo:

Esta fórmula muestra que una máquina tiene un 100% de eficiencia sólo sí Qf = 0. Es decir, no se entrega energía térmica al reservorio frío.

KELVIN-PLANCK Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.

La forma de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica establece lo siguiente:

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía térmica de un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

MATERIALES.

Base de metal. Una lata sellada y sin líquido. Alambre de Hierro. Tubos de hierro delgados Agua. Alcohol de 90 (industrial)

PROCEDIMIENTO

1. Llenar la lata con agua.2. Introducir él tubo de aluminio

en la lata para la salida deseada de vapor

3. Con este montaje en la base de metal y debajo la lata con el alcohol, prenderlo y esperar a que el agua alcance su punto de ebullición para que la fuerza que genera el vapor le dé suficiente impulso para que gire.

Figura 4. Prototipo de Eolipila

CONCLUSIONES

e=WQc

=Qc−QfQc

=1−QfQc

El enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica establece que es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía térmica de un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo; es entonces el principio a demostrar en nuestro experimento que con satisfacción logramos determinar al final de la experiencia, otra determinación en nuestra investigación fue la de una máquina térmica que es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como trabajo en la turbinas para luego generar energía eléctrica, se pudo determinar las aplicaciones de principios termodinámicos, de cómo el calor a partir de un fluido lo transforma en gas y se convierten en un ciclo completo, hay que tener en cuenta las limitaciones para generar estas investigaciones, el solo hecho de generar trabajo a partir de vapor no fue sencillo e intentar otras aplicaciones no fue posible.

BIBLOGRAFIA.

http://termodinamica-2011.blogspot.com/p/enunciado-de-clausius.html

http://www.educ.ar/sitios/educar/recursos/ver?id=14539

http://newton.cnice.mec.es/newton2/Newton_pre/1bach/maquinastermicas/index.html

https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gnavascu/TERMOTECNIA_10_11/BlaBla_5_2aLey_Maquinas_Termicas.pdf

http://www.fing.edu.uy/if/cursos/fister/apoyo/notas/2ley.pdf

http://temasdeeducacin.blogspot.com/2008/03/partes-que-constituyen-un-proyecto-de.html

http://www.iesfranciscoasorey.com/inventos/enlaces/maquina%20vapor%20heron.html

http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm

http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/2esobiologia/2quincena3/paginas/rendimiento.htm

http://yoloandre94.blogspot.com/2010/11/maquinas-termicas-y-eficiencia-de.html