Máquinas Térmicas

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Objetivo

  • Estudiar un diagrama P-V para un ciclo de una máquina térmica y encontrar el trabajo termodinámico útil realizado por dicha máquina.

Fundamentación

La base de nuestra sociedad tecnológica es la capacidad de usar fuentes de energía distintas de la potencia muscular. Casi toda la energía de la que disponemos proviene de quemar combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y de reacciones nucleares. El producto es energía que se transfiere como calor y se puede usar de manera directa o se convierte en energía mecánica.

Por lo tanto, es importante saber cómo tomar calor de una fuente y convertir tanto de él como sea posible en energía mecánica o trabajo.

Una máquina térmica es un dispositivo cíclico cuyo propósito es convertir la máxima cantidad posible de calor en trabajo útil. Todas ellas contienen una sustancia de trabajo que absorbe una cantidad de calor, realiza el trabajo y cede el calor cuando vuelve a su estado inicial.

En esta práctica verificará experimentalmente que el trabajo mecánico útil realizado al elevar una masa m a lo largo de una distancia vertical y, es igual al trabajo termodinámico realizado durante un ciclo, determinado por el área encerrada en un diagrama P-V (figura 1). Aunque esto puede ser demostrado matemáticamente, la verificación experimental permitirá familiarizarse con la operación de una máquina térmica real.

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Equipo Requerido

  • Interfaz ScienceWorkshop
  • Agitador con control de temperatura
  • Magneto grande (recubierto de teflón)
  • 1 banco de altura graduable mediano
  • 2 Beakers 1000 mL
  • 1 juego de pesas
  • Hielo
  • Sensor de presión (absoluta)
  • 2 sensores de temperatura (acero inoxidable)
  • 1 pinza
  • 1 banco de altura graduable pequeño
  • Agua (800 mL en cada beaker)
  • 1 placa de vidrio resistente al calor
  • Sal de cocina
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Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.

2. Conecte el sensor de presión (absoluta) y los de temperatura (acero inoxidable) en los canales analógicos de la interfaz.

3. Ejecute el programa DataStudio.

4. Instale los sensores, seleccionando en todos una velocidad de muestreo de 10 Hz. En el sensor de presión indique sensibilidad media (10x).

5. En esta práctica, el usuario realizará una observación constante de las medidas. Para este tipo de medición, seleccione Medidores digitales. Destine uno de los medidores al control de la temperatura del agua caliente, otro al de la temperatura del agua fría y finalmente observe la presión en otro medidor digital.

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6. Organice las ventanas para que pueda observar simultáneamente todas las medidas digitales (Figura 4).

Parte II. Configuración del equipo y toma de datos

1. Verifique que el tapón de caucho de la cámara de aire tenga dos conexiones: una hacia el cilindro y otra hacia el sensor de presión.

2. Vierta en cada beaker 800 mL de agua.

3. Deposite con suavidad el magneto en el interior del beaker que se pondrá en el agitador con control de temperatura. Use una velocidad de agitación 1 ó 2, para evitar la formación de vórtices. Ponga a calentar el agua hasta llevarla a su temperatura de ebullición. Para hacer más rápido el calentamiento coloque la placa de vidrio sobre el beaker.

4. Use los cubos de hielo para enfriar el agua en el beaker del foco frío y riegue bastante sal sobre el mismo. Use el sensor de temperatura para agitar el agua y tener un valor homogéneo en todo su volumen. Verifique la temperatura de la mezcla y asegúrese que ésta alcance su menor valor

5. El ciclo de la máquina térmica es mucho más fácil de describir si se inicia con el pistón descansando un poco por encima de la base del cilindro. Por esa razón, se sugiere elevar el pistón unos centímetros antes de insertar firmemente el tapón de caucho en el recipiente de aluminio. 30 mm es una altura adecuada (Figura 5a).

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6. Cierre firmemente la cámara de aire con el tapón de caucho. Es probable que varíe ligeramente la altura del pistón. Tome nota de la nueva altura. Use la pinza para sujetar más fácilmente el recipiente.

7. Ahora que el sistema se encuentra aislado del aire exterior introduzca el recipiente de aluminio en el beaker con agua fría (Figura 5b). ¿Qué le ocurre a la altura del pistón?

8. Para cada uno de los procesos tome nota de las temperaturas en los beakers, la altura del pistón y la presión del aire en el sistema.

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a) Transición a$\rightarrow{}$b. Estando el recipiente de aluminio en el foco frío se coloca la masa sobre la plataforma. El aire se fuga lentamente del cilindro. ¿Qué ocurre cuando se adiciona la masa a la plataforma? Si se intenta elevar una masa grande, la tasa de fuga del aire en el cilindro se incrementa, por lo que se sugiere que se limite la masa a valores entre 100 g y 200 g.

b) Transición b$\rightarrow{}$c. Lleve el recipiente de aluminio al beaker con agua hirviendo manteniendo la masa sobre la plataforma. Describa lo que le ocurre al pistón.

c) Transición c$\rightarrow{}$d. Mantenga el recipiente en el beaker con agua caliente y retire la masa de la plataforma. Describa lo que ocurre en ese momento.

d) Transición d$\rightarrow{}$a. Ahora es el momento de cerrar el ciclo enfriando de nuevo el sistema a su temperatura original por un minuto o dos. Ponga el recipiente en el beaker con agua fría y describa lo que ocurre al volumen del aire atrapado. En particular, ¿cómo es el volumen de gas comparado con el volumen de aire atrapado al inicio del ciclo? ¿Es el mismo o algo de aire se ha fugado? [Nota: llamaremos a’ al punto final si no coincide con el punto inicial a]

9. Repita el ciclo para la misma masa anterior.

10. Opcional. Repita el ciclo para una nueva masa.

Análisis

No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

1. Realice los cálculos necesarios para encontrar la presión y el volumen del sistema en los puntos a, b, c, d, a’ del ciclo a partir de las medidas realizadas. No olvide tener en cuenta que el volumen de aire en la tubería y en el recipiente de aluminio.

2. En una Nueva Tabla de datos vacía introduzca los datos de volumen y presión. Con ellos dibuje el diagrama P-V para cada ciclo.

3. En el diagrama P-V obtenido para el ciclo, indique los puntos a, b, c, d, a’. En el mismo gráfico indique los tipos de procesos que se dan entre los estados indicados..

4. ¿Cuál fue la altura que se elevó la masa durante la transición b$\rightarrow{}$c? Obtenga el trabajo mecánico necesario para elevar la masa del punto b al c.

5. Proponga un método y úselo para determinar de manera precisa el área encerrada por el diagrama P-V. Sugerencia: Un método posible consiste en usar la herramienta de cálculo de área del programa DataStudio.

6. Compare el trabajo mecánico útil producido por la máquina térmica con el calculado en el numeral 3.

Bibliografía

Bibliografía
Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.

Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 2. Reverté, Barcelona, 2005.

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