práctica ciclo de carnot virtual
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
ESCUELA DE MECÁNICA
LABORATORIO DE TERMODINÁMICA
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GUIA DE PRÁCTICA Nº 1
TEMA: CICLO DE CARNOT
OBJETIVO GENERAL
Realizar la practica virtual del ciclo de carnot.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Ingresar en la página de internet
Introducir los datos propuestos en la hoja guía al programa de internet
Analizar los resultados del programa.
MARCO TEORICO
El ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el físico francés Sadi Carnot, a principios del
siglo XIX.
Una máquina de Carnot, aquella que sigue este ciclo, es perfecta, es decir, convierte la
máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia
máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y
mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la
máquina. Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se
quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.
El teorema de Carnot indica que ninguna máquina térmica que intercambie calor
únicamente con dos focos o fuentes térmicas tiene un rendimiento (eficiencia térmica)
mayor que la máquina de Carnot trabajando entre esos dos focos. Esto hace que todos
los motores de Carnot que funcionen entre dos mismas fuentes de calor tienen igual
rendimiento y la dependencia será exclusivamente de la temperatura de los focos.
En un diagrama p – v (presión en función del volumen) que si bien tiene sus límites en
la capacidad que posee un sistema en convertir calor en trabajo, es utilizado en
máquinas que usan vapor o una mezcla de combustible (con aire u oxígeno).
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Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto,
y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra
en la figura.
Tramo A-B isoterma a la temperatura T1
Tramo B-C adiabática
Tramo C-D isoterma a la temperatura T2
Tramo D-A adiabática
Una máquina que funcione según el principio de Carnot y 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:
1°. 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
2°. 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.
Se demuestra que la ecuación que relacione el volumen de vapor con la presión es, para
un gas perfecto, pvg = constante
En la cual g = C/c es el cociente de los calores específicos del gas.
Supongamos una máquina térmica que funciones entre las temperaturas T1 y T2. ¿ A
qué transformaciones deben someterse los cuerpos empleado entre estos límites para
obtener rendimiento máximo?.
El ciclo cerrado que representa la variación de las presiones y de los volúmenes del gas
en los diferentes puntos del recorrido del émbolo de un motor debe reflejarse, en una
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curva tomada por las dos isotermas que corresponden a las temperaturas T1 yT2, las
cuales se hayan unidas entre sí por dos adiabáticas.
Consideremos lo que sería una máquina de vapor perfecta (Fig. 4). Vamos a describir el
ciclo partiendo del punto A, que corresponde al momento en que comienza la admisión
del vapor debajo del émbolo. Esta expansión debe hacerse sin variación de temperatura,
siguiendo la isoterma AB, a la temperatura T1 del vapor admitido. En B cesa la
admisión y los gases se expanden siguiendo la curva BC, que es una porción de
adiabática entre las temperaturas T1 y T2. Cuando el émbolo llega al punto C, hay un
retroceso y un escape del vapor siguiendo la isoterma CD, a la temperatura T2.En el
punto D, el escape está cerrado y hay comprensión con calentamiento por la porción de
adiabática DA.
Este ciclo que es el que debería seguir una máquina perfecta, se denomina ciclo de
Carnot. Tiene la propiedad de ser reversible, es decir, de poder ser recorrido
indistintamente en un sentido o en otro, y de dar el rendimiento teórico máximo.
El trabajo neto W efectuado por el sistema durante el ciclo está representado por el área
encerrada en la trayectoria abcd. La cantidad de energía calórica neta recibida por el
sistema se obtiene por la diferencia entre Q2 y Q1.
Como el estado inicial y final es el mismo, no hay cambio en la energía interna U del
sistema. Por lo tanto, según la primera ley de termodinámica: W = Q1 – Q2
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PAGINA DE ACCESO AL PROGRAMA
www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/.../carnot/carnot.htm -
PROCEDIMIENTO
Para la ejecución de esta práctica de laboratorio se toma como punto de partida las
temperaturas y las presiones en la grafica p-v.
1) Abrir la página de internet.
2) Leer la teoría respecto al ciclo de carnot.
3) Colocar los datos que se requiere en la hoja guía de la práctica.
4) Llenar la tabla con los resultados que proporciona el programa.
5) Analizar los datos proporcionados por el programa.
6) Comparar estos resultados con los que se analizó en el laboratorio o clase.
HOJA DE DATOS
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TEMA: CICLO DE CARNOT
TEMPERATURA (K) PRESION (atm) VOLUMEN (L) RENDI-
MIENTO A B C D A B C D A B C D
1 500 293 15 3 7
2 900 400 30 4 9
3 1235 310 25 3.5 7.2
4 820 550 17.5 7 12
5 727 423 23.7 4.2 9.6
1. Obtener las presiones y volúmenes en cada uno de los puntos (B, C, D); así
como también calcular el rendimiento de cada uno de los experimentos
expuestos en la tabla.
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CALCULOS
1. Calcular el calor cedido
2. Calcular el calor absorbido.
3. Calcular el trabajo y rendimiento del ciclo.
4. Dibujar para los cinco casos el diagrama P-V y T-s.
5. Determinar el calor y la variación de entropía
6. Contestar el cuestionario
7. Resolver los problemas
CUESTIONARIO
1. Qué es una máquina térmica?
2. Qué es un ciclo de carnot?
3. Qué dice el teorema de Clausius?
4. Cuáles son las etapas del ciclo de carnot?
5. Qué expansión y comprensión adiabática?
6. Qué es un proceso isotérmico en el ciclo de carnot?
7. Defina aplicaciones reales del ciclo de carnot
8. Qué es el ciclo de carnot invertido?
EJERCICIOS
1. Un dispositivo cilindro-embolo contiene agua que se utiliza para llevar a cabo el
ciclo de un motor de carnot. Desde un estado inicial de 240C y una calidad del
20%, el fluido se expande de forma isoterma hasta que la presión alcanza 30 bar.
A este proceso le sigue una expansión isentropica hasta 150C. determínese para
el ciclo (a) el rendimiento térmico, (b) el calor comunicado y el calor cedido por
el fluido de trabajo en KJ/Kg, y (c) el trabajo de salida neto, en KJ/Kg.
2. Un dispositivo cilindro-embolo contiene agua que describe un ciclo de motor
térmico de carnot. Desde un estado inicial de líquido saturado a 280C, el fluido
se expande de forma isoterma hasta que la presión alcanza 40 bar. A este
proceso le sigue una expansión isoentropica hasta 100C. determínese para el
ciclo (a) el rendimiento térmico, (b) el calor suministrado, (c) el calor cedido, (d)
el trabajo durante la expansión isoentropica, todo en KJ/Kg.
3. Un dispositivo cilindro-embolo contiene refrigerante 134a que lleva a cabo un
ciclo de refrigeración de carnot, desde un estado inicial de 4 bar y 40C, el fluido
condensa de forma isoterma hasta una calidad del 50%. A este proceso le sigue
una expansión isentropica hasta -20C. para este ciclo inverso de carnot,
determínese (a) el COP, (b) el calor cedido, (c) el calor suministrado desde la
región fría, y (d) el trabajo neto de entrada, todo en KJ/Kg.
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4. Un dispositivo cilindro-embolo contiene agua que describe un ciclo de motor
térmico de carnot. Desde un estado inicial de líquido saturado a 500F , el fluido
se expande de forma isoterma hasta que la presión alcanza 600 psia, a este
proceso le sigue una expansión isoentropica hasta 200F, determínese para el
ciclo (a) el rendimiento térmico, (b) el calor suministrado y el calor cedido, (d)
el trabajo durante la expansión isoentropica, todo en BTU/lbm.
5. Un ciclo de carnot de aire estándar cede una cantidad de calor de 100KJ/Kg a un
sumidero de calor que se encuentra a 300 ºK. las presiones máxima y mínima en
el ciclo cerrado son 0.10 y 17.4 MPa, respectivamente. Utilizando la tabla de
aire obténgase (a) la presión al final al final del compresión isoterma, (b) la
temperatura de la fuente térmica que suministra el calor, (c) los volúmenes
específicos después de las compresiones isoterma e isoentropica, (d) el
rendimiento térmico, (e) la relación de compresión, (f) la presión media efectiva.
6. Un ciclo de carnot de aire estándar en un sistema cerrado recibe 100BTU/lbm en
forma de calor desde una fuente térmica a 1200ºR las presiones máxima y
mínima en el ciclo son 1 y 88 atm, respectivamente (a) la presión después del
suministro de calor a temperatura constante, (b) la temperatura a la que el ciclo
cede calor, (c) los volúmenes específicos después del suministro de calor a
temperatura constante y después de la expansión isoentropica, (d) el rendimiento
térmico, (e) la relación de compresión, (f) la presión media efectiva en psi.
7. El calor suministrado a un ciclo de carnot de aire estándar que funciona entre
300ºK y 1100ºK es 150 KJ/Kg. La presión minima del ciclo es 1 bar.
Determinese (a) la presión máxima del ciclo, (b) la presión después de la
compresión isoterma del sistema cerrado, en bar, (c) la relación de compresión,
(d) la presión media efectiva.
Contenido del Informe de laboratorio
1. Caratula
2. Resumen
Es la segunda página del reporte. En forma concisa se informará sobre el objetivo de la
práctica, el equipo y las consideraciones principales del modelo, se enfatizarán los
resultados obtenidos, así como las limitaciones a su validez.
3. Índice.
4. Objetivo general y específico.
5. Hipótesis general y específicos
6. Fundamentos teóricos
7.1 Hoja de datos con la información completa
7.2 Equipo y materiales
6.5 Procedimiento de la práctica
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8. Análisis de datos y resultados.
8.1 Cálculos, análisis estadístico, resultados, gráficos.
8.2 Conclusiones y recomendaciones.
9. Bibliografía.
10. Anexos
11. Cuestionario.
12. Problemas.
El informe debe presentarse con las Normas APA y el instructivo de la página
www.