Embed Size (px)
Citation preview
Colegio María Teresa Cancino
Departamento de Física
4to Medio A – Plan diferenciado.
EXPERIMENTO
En el periodo de la revolución industrial, nace en el mundo un fuerte interés por la ciencia y las nuevas
tecnologías; se desea conocer y entender el mundo, pero no solo por una cuestión de curiosidad, más
bien para satisfacer las necesidades de los mismos humanos. El surgimiento de las máquinas revoluciona
el mundo, las personas comienzan a ver en ellas mayor eficiencia, productividad y comodidad, por lo que
cada vez desean más y más poder construir nuevas y mejores máquinas.
Bajo este contexto aparece en 1824 el francés Sadi Carnot, un ingeniero conocido en el mundo por su
aporte al principio de “la segunda ley de la termodinámica” y por diseñar la máquina térmica actualmente
más eficiente, caracterizada por trabajar en base al ciclo termodinámico reversible que lleva su nombre.
En el experimento que presentaremos a continuación, queremos demostrar los principios postulados
por Carnot, mediante la realización de una máquina casera que trabaja en base a los mismos.
Aprenderemos en que consiste este ciclo, como permite el funcionamiento de la máquina y que es
aquello que la hace tan eficiente.
Introducción 2
● La segunda ley de la termodinámica y el principio de Carnot:
La segunda ley de la termodinámica es una de las más importantes dentro de la física y nos habla sobre
la irreversibilidad de los procesos y la entropía. Explica que, a pesar de que la energía no desaparece ni se
destruye, si es posible transformarla, además de establecer el sentido en que se dirige esta transformación.
Este proceso ocurre únicamente entre dos estados de equilibrio distintos, lo que sugiere una limitación
para el proceso; según este principio, cuando se tiene un sistema que va del estado de equilibrio A al B, la
cantidad de entropía del segundo será la máxima posible (B), por lo tanto, mayor que la primera (A). El
trabajo será realizado en el transito de A a B y no cuando se encuentre en uno de ellos, sin embargo, si este
sistema es cerrado, la energía y cantidad de materia no ha podido
cambiar; sí la entropía debe maximizarse en el transito de un estado de
equilibrio a otro de manera cíclica, el proceso se verá cada vez más
dificultoso, pues el desorden equivalente debe aumentar
exponencialmente.
Los principios establecidos por Carnot fueron 2:
1-. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre
menor que una reversible operando entre los mismos dos
reservorios.
2-. La eficiencia de todas las máquinas térmicas reversibles esta
operando siempre entre los dos mismos reservorios de la máquina.
Marco Teórico 3
Nicolas Léonard Sadi Carnot, nació en París, el 1 de junio de 1796 y
murió el 24 de agosto de 1832, fue un ingeniero francés precursor de los
estudios de la termodinámica, actualmente reconocido como el fundador
de esta rama de la física.
En el año 1824, escribió su obra maestra titulada “Reflexiones sobre la
potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para
desarrollar esta potencia”, donde planteó las ideas que años después
servirían como base para la formulación de la segunda ley de la
termodinámica, en manos de Rudolf Clausius y Lord Kelvin.
● El ciclo de Carnot:
El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico ideal reversible,
entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es
máximo.
El ciclo se produce entre dos focos, uno a una alta temperatura
(Qh) y otro frío (Qc). Para que la eficiencia sea máxima, la máquina
debe tomar calor del foco caliente y verter el calor de desecho en el
foco frío. Para que este ciclo sea optimo, el calor debe ser tomado a
una temperatura máxima (Th) y el desecho, dejado en una
temperatura mínima (Tc), para esto deben ocurrir dos procesos que
se repiten en dirección contraria:
1-. Expansión isotérmica: En esta etapa el gas se encuentra
en un primer momento a una temperatura Tc, ocupando un
volumen mínimo y a una presión alta. Este gas es dirigido a un
cilindro donde se expande producto de la alta presión, lo que
tiende a disminuir su temperatura, pero se pone en contacto
con la fuente de calor para mantenerla así constante. Como la
energía interna no varia, toda la energía absorbida del foco
caliente es completamente transformada en trabajo.
2-. Expansión adiabática: En esta etapa el ciclo se mantiene
aislado de cualquier fuente de calor, permitiendo que el gas se
enfríe hasta una temperatura Tc. En este momento el pistón
llega hasta su punto final y el gas se encuentra con su
volumen máximo. Durante esta etapa todo el trabajo proviene
de la energía interna.
3-. Compresión isotérmica: En esta etapa se pone la fuente de energía Qh en contacto con el cilindro que
contiene el gas, haciendo que este comience a expandirse, pero sin cambiar su temperatura, puesto que el
calor es cedido al foco frío. Como la temperatura se mantiene constante, la energía interna no cambia, por
tanto todo el trabajo es absorbido por en forma de calor por la fuente de energía Qc.
Marco Teórico 4
4-. Compresión adiabática: La fuente de energía Qc se retira para que el gas eleve su temperatura hasta
llegar a Th, aquí el volumen del gas alcanza su valor mínimo. Como durante esta etapa no existe un
intercambio de calor, por lo que el trabajo se convierte en energía interna.
Así, estos procesos se repiten indefinidamente formando el ciclo termodinámico.
Las principales características del ciclo de Carnot son:
- Tienes dos fuentes de energía, una alta y una baja que se mantienen siempre constantes.
- Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles, por lo que el ciclo podría ser invertido.
- El gas debe encontrarse en su temperatura máxima al encontrarse en el foco caliente y en su
temperatura mínima en el foco frío.
● La máquina de Carnot:
La máquina de hipotética de Carnot es una máquina ideal que funciona en base al ciclo reversible de
Carnot con una máxima eficiencia.
El funcionamiento de la máquina térmica explicado en forma sencilla es el siguiente: En el deposito
(foco) caliente, el gas que producirá el trabajo aumenta su temperatura y presión, después será
introducido a la máquina térmica donde se expandirá o sufrirá una combustión que empujara el embolo
produciendo un trabajo mecánico, el resto de energía –desecho- será enviado al deposito frío con el fin de
disminuir su temperatura y reanudar el ciclo.
Marco Teórico 5
Para el siguiente experimento realizaremos el motor de
Stirling, conocida por ser actualmente la máquina que más se ha
acercado a la hipotética máquina de Carnot. Para ello, será
necesario lo siguiente:
● Materiales:
● Procedimiento:
Una vez reunido todos lo materiales, procederemos a confeccionar nuestro motor.
1 Tarro 2 latas de bebida 1 Globo Tubo de PVC (codo) Alambre CD Alicate Suela para llaves
Circulo de lata Tapa de botella Base de Madera Vela Cinta aislante 2 palos de madera. Cortante Aislapol y piedra Tijeras
Para confeccionar el pistón, cortarrmos 1/3 de una
de las latas de bebida y la parte baja de la otra; la
primera será llenada con aislapol y una piedra para
poner peso, mientras que en la segunda
procederemos a hacer un agujero en el centro para
pasar un alambre.
Quitar completamente la tapa del tarro y
hacer una perforación por el lado en la parte
superior.
Experimento: Materiales y Procedimiento 6
Para hacer el segundo pistón; cortaremos una
tapa plástica y pasaremos un alambre por el
centro, sobre esto pondremos un globo que
luego montaremos sobre el tubo de PVC,
apretándolo bien para que no se escape el aire.
Uniremos el tubo de PVC al tarro, dejando la
parte abierta hacia arriba.
El círculo de lata será usado como tapa para el
tarro, así que le haremos un agujero en el
centro y procederemos a meter el pistón
previamente confeccionado dentro del tarro y
sobre ellos la tapa, sellándolos completamente.
Pondremos la segunda lata sobre la
primera en forma de tapa y la sellaremos con
cinta adhesiva.
Experimento: Materiales y Procedimiento 7
Uniremos los dos palos de madera a cada
lado de nuestro motor y lo pondremos sobre
la base, dejando un espacio en la parte baja,
suficiente como para poner una vela.
En un extremo, afirmaremos un Cd (que
tiene en el centro una suela con un agujero
justo para pasar el alambre) de modo que
giren junto con el alambre.
Cortaremos un alambre y le daremos la forma
como se muestra en la imagen y a ello
uniremos ambos pistones.
Experimento: Materiales y Procedimiento 8
Una vez ensamblada la máquina, comenzamos con el experimento: Pusimos la vela sobre la base de la
máquina y le dimos un pequeño impulso con los dedos a la rueda para facilitar el comienzo. Como por
obra de magia, la rueda siguió moviéndose (un poco más rápido que lo inicial) y no se detuvo hasta que la
vela fue retirada.
Según lo aprendido esto se debería a que el aire contenido dentro del tarro se calienta y empuja el
pistón, quien hace girar la rueda y a su vez mueve el pistón más pequeño, que se encuentra en la zona fría;
el aire caliente que había subido, se desvía por el tubo de PVC, llegando a esta misma zona, donde se enfría
y baja nuevamente para comenzar el ciclo desde el principio.
La única diferencia entre esta máquina y la hipotética de Carnot, es que para hacer funcionar ésta son
necesarios dos pistones, los cuales aumentan la potencia y utilizan así mejor la energía del otro. De esta
manera hay dos ciclos que permiten el movimiento de la rueda; primero tenemos el postulado por Carnot,
en base al cambio de temperatura, y en segundo lugar nos encontramos con un ciclo potenciador dirigido
por la forma del alambre al que se encuentran unidos los pistones y la rueda, esto sucede porque al subir el
pistón mayor, este hace girar la rueda y además gira la vuelta del alambre que esta unida al otro pisto,
haciendo que este baje, luego este al subir, obliga al otro a bajar y así sucesivamente formando un ciclo
interminable, que solo se acaba cuando deja de haber un combustible, es decir, se apaga la vela.
Observaciones y análisis 9
En conclusión podemos decir que, a pesar de que Carnot nunca logró construir su máquina y que
tampoco fueron valorados sus descubrimientos inmediatamente, ha sido un gran aporte y el verdadero
fundador de la termodinámica. Su contribución ha sido esencial para la creación de distintas máquinas que
trabajan basándose en su ciclo (aunque sin lograr la completa eficiencia), es decir ha sido un revolucionario
de la física, que ha permitido grandes mejoras en la maquinaria y sobre el entendimiento de la
termodinámica.
El ciclo de Carnot, ha sido fundamental, pues ha cimentado una base que permitió a científicos
posteriores hacer nuevos descubrimientos y perfeccionar de apoco las teorías termodinámicas, las cuales
en la actualidad son esenciales para explicar el funcionamiento de muchos objetos que se encuentran a
nuestro alcance y con los que convivimos cotidianamente.
El experimento que realizamos nos permitió entender el funcionamiento básico de la máquina de
Carnot, además de mostrarnos como trabaja la termodinámica y como es posible que el calor pueda ser
transformado en trabajo y viceversa.
Conclusión 10
● Webs Información:
http://procesostermodinamicoseq8.blogspot.com/2010/05/procesos-termodinamicos.html
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/mateos_e_e/capitulo4.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Nicolas_L%C3%A9onard_Sadi_Carnot
http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isot%C3%A9rmico
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Carnot
http://arquimedes.matem.unam.mx/DescartesWeb2.0/doctec/fisica/calor/CicloDeCarnot.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Carnot
http://www.mitecnologico.com/ie/Main/CicloDeCarnot
http://www.youtube.com/watch?v=4no8w1Hu6fg&feature=related
Bibliografía 11
