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Eficiencia termica

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Laboratorio de eficiencia termica

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EFICIENCIA TRMICA1. OBJETIVOS.-Determinar la eficiencia trmica del mdulo de Peltier para poder entender mejor como funciona una mquina trmica y observar que tan eficiente puede llegar a ser, es decir que tanto trabajo puede producir con cierta temperatura.2.- FUNDAMENTO TEORICO.-Mquina TrmicaUna mquina trmica usa la diferencia de temperatura entre dos reservas de temperatura, una caliente y otra fra, para convertirlo en trabajo, por lo general las reservas son muy grandes y por ello estas temperaturas se mantienen constantes un tiempo prolongado. Una mquina trmica puede ser representado con un diagrama (Ver figura 1) Segn la ley de conservacin de energa (Primera ley de la termodinmica) se puede concluir que: (1)Donde QH = Entrada de calor, W = Trabajo, QC = Salida de calor

Figura 1 Representacin grfica de una maquina trmica

Eficiencia ActualLa eficiencia de la mquina trmica se define por el trabajo dividido entre la entrada de calor (2)Donde e = eficiencia actual, W = Trabajo QH = Entrada de calor.Si todo el calor de entrada se convirtiera en trabajo el resultado de esta ecuacin seria 1 dando a entender que la mquina es 100% eficiente pero siempre existe prdida de energa y por ello el resultado de esta ecuacin en menor a 1 (menor a 100%). En este laboratorio en lugar de usar energa se usara poder y por ello la ecuacin de eficiencia se vuelve (3)Donde e = eficiencia actual PH = Poder suministrado a la reserva caliente PW = Poder usado por la resistencia de carga.Eficiencia de CarnotEn 1824, el fsico francs Sadi Carnot deriv la eficiencia trmica para una mquina trmica ideal como una funcin de la temperatura de sus reservorios fros y calientes sin importar el tipo de motor, esta eficiencia es la mxima posible y su ecuacin es la siguiente: (4)

Donde ec = eficiencia de Carnot TH = Temperatura caliente TC = Temperatura fra, dichas temperaturas deben estar en grados Kelvin. Otras ecuaciones necesarias para este laboratorio son las siguientes: (5) (6)Donde PH = Poder suministrado a la reserva caliente VH = Voltaje de la fuente IH = Corriente que circula atreves de todo el equipo VW = Voltaje a travs de la resistencia de carga.InterpolacinPara este laboratorio tambin se usara la interpolacin ya que se registraran las resistencias de las temperaturas fras y calientes y para hallar la resistencia misma se usa la siguiente tabla y el concepto de interpolacin.Figura 2 Tabla de Interpolacin

Figura 2: En esta figura se observa una tabla resistencia temperatura necesario para calcular cualquier temperatura a partir de una resistencia usando interpolacin.

Suponiendo que Rx es la resistencia medida y Tx es la temperatura desconocida, podemos hallar Tx con la siguiente ecuacin: (7)Donde R1 Es la resistencia inmediata inferior y R2 es la resistencia inmediata superior a Rx segn la tabla. T1 es la temperatura para R1 y T2 es la temperatura para R2.3. PROCEDIMIENTO.-Los materiales usados en este laboratorio fueron los siguientesMdulo de Peltier (Mquina trmica)VoltmetroAmpermetroVaso CalorficoAguaCables Banana-BananaFuente de PoderUna vez armado el montaje (Ver figura 1) se encendi la fuente de poder y el mdulo de Peltier, el agua en un principio estaba fra y era absorbido por el equipo y calentado ah adentro para luego expulsarlo en el mismo vaso calorfico, con ayuda del voltmetro y del ampermetro se registraron los datos del voltaje, corriente y tambin de las resistencias cuando el agua estaba fra y caliente para poder realizar los clculos necesarios.Figura 3 Montaje del mdulo de Peltier

Figura 3 Esta figura muestra el montaje del mdulo de Peltier realizado el da del laboratorio junto a la fuente de poder y el vaso calorfico con agua

4. DATOS.-Resistencia interna del mdulo de Peltier = 2 Tabla 1.- Toma de datosNTH (k)TC (k)TH (C)TC (C)VH (V)IH (A)Vw (V)

127.823554.717.6191.730.643

25324939.136.497.11.360.452

311327722.414.4550.960.249

419329411.473.323.10.580.111

Tabla 1 Esta tabla consta de 8 columnas la primera columna es la numeracin, se tomaron datos 4 veces, la segunda y tercera columna son las resistencias registradas para la temperatura caliente (TH) y temperatura fra (TC) La cuarta y quinta columna muestran las temperaturas respectivas halladas con interpolacin. La sexta columna es el voltaje registrado por el voltmetro, la sptima columna es la corriente registrada por el ampermetro y en la ltima columna se encuentra el voltaje a travs de la resistencia de carga.

Tabla 2.- Clculos previosNPHPWTH (K)TC (K)T (K)e actuale Carnot

115.570.206327.71280.1647.10.0130.144

29.6560.102312.13279.4932.640.0110.105

34.80.031295.41277.4517.960.0070.061

41.7980.006284.47276.328.150.0030.029

Tabla 2 Esta tabla consta igual de 8 columnas la primera columna es la numeracin, la segunda muestra el poder suministrado a la reserva caliente calculado con la ecuacin (5) la tercera columna muestra el poder usado por la resistencia de carga calculado con la ecuacin (6). En la cuarta y quinta columna se muestran las mismas temperaturas de la tabla 1 pero expresadas en grados kelvin, en la sexta columna se observa la diferencia de temperatura. En la sptima columna se encuentra la eficiencia actual calculada con la ecuacin (3) y en la ltima columna se encuentra la eficiencia de Carnot calculada con la ecuacin (4).

5 ANLISIS DE DATOS5.1 Grfica Experimental

Grfica 1 Diferencia de temperatura Eficiencia actual/Carnot

Grfica 1 Esta grfica fue realizada con los datos de la tabla 2 los puntos azules representan la eficiencia actual y los puntos rojos representan la eficiencia de Carnot, es decir la eficiencia mxima posible para dicha diferencia de temperatura.

6 CONCLUSIONES Se logr realizar el laboratorio con xito, se cumpli con el objetivo ya que se entendi bien cmo funciona una mquina trmica y como hallar sus eficiencias, en este caso las eficiencias del mdulo de Peltier. Observando en la grfica de la seccin 5 se ve que ambas eficiencias van en aumento mientras crece la diferencia de temperatura, dando a entender que para aproximarse a una eficiencia de 1 o 100% se necesitan dos reservas de temperatura a temperaturas muy diferentes una extremadamente alta y la otra muy baja. La eficiencia de Carnot nos indica que esa es la eficiencia mxima posible para una cierta diferencia de temperatura, la eficiencia actual siempre estar por debajo de la eficiencia de Carnot ya que ninguna maquina es ideal, ninguna maquina puede conseguir esa eficiencia mxima ya que por varios factores el trabajo se va perdiendo. La eficiencia actual comparada con la eficiencia de Carnot es muy baja pero aun as proporcionan trabajo, si se aumentara la temperatura caliente y se disminuyera la fra la eficiencia actual ser an mayor proporcionando an ms trabajo. 7 BIBLIOGRAFIAhttp://www.todomotores.cl/mecanica/eficiencia_termica.htmhttp://yoloandre94.blogspot.com/2010/11/maquinas-termicas-y-eficiencia-de.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicoPDF subido a plataforma virtual (Laboratorio de Fsica paralelo 4)Gua de Laboratorio Fsica II