Informe de física  el ciclo de carnot-
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Informe de física el ciclo de carnot- Document Transcript

  • 1. Colegio María Teresa CancinoDepartamento de Física4to Medio A – Plan diferenciado. EXPERIMENTO
  • 2. Introducción 2 En el periodo de la revolución industrial, nace en el mundo un fuerte interés por la ciencia y las nuevastecnologías; se desea conocer y entender el mundo, pero no solo por una cuestión de curiosidad, másbien para satisfacer las necesidades de los mismos humanos. El surgimiento de las máquinas revolucionael mundo, las personas comienzan a ver en ellas mayor eficiencia, productividad y comodidad, por lo quecada 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 suaporte al principio de “la segunda ley de la termodinámica” y por diseñar la máquina térmica actualmentemás 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 postuladospor 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 esaquello que la hace tan eficiente.
  • 3. 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. ● 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 sobrela irreversibilidad de los procesos y la entropía. Explica que, a pesar de que la energía no desaparece ni sedestruye, 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 limitaciónpara el proceso; según este principio, cuando se tiene un sistema que va del estado de equilibrio A al B, lacantidad de entropía del segundo será la máxima posible (B), por lo tanto, mayor que la primera (A). Eltrabajo será realizado en el transito de A a B y no cuando se encuentre en uno de ellos, sin embargo, si estesistema es cerrado, la energía y cantidad de materia no ha podidocambiar; sí la entropía debe maximizarse en el transito de un estado deequilibrio a otro de manera cíclica, el proceso se verá cada vez másdificultoso, pues el desorden equivalente debe aumentarexponencialmente. 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.
  • 4. Marco Teórico 4 ● 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 encuentraen un primer momento a una temperatura Tc, ocupando unvolumen mínimo y a una presión alta. Este gas es dirigido a uncilindro donde se expande producto de la alta presión, lo quetiende a disminuir su temperatura, pero se pone en contactocon la fuente de calor para mantenerla así constante. Como laenergía interna no varia, toda la energía absorbida del fococaliente es completamente transformada en trabajo. 2-. Expansión adiabática: En esta etapa el ciclo se mantieneaislado de cualquier fuente de calor, permitiendo que el gas seenfríe hasta una temperatura Tc. En este momento el pistónllega hasta su punto final y el gas se encuentra con suvolumen máximo. Durante esta etapa todo el trabajo provienede la energía interna. 3-. Compresión isotérmica: En esta etapa se pone la fuente de energía Qh en contacto con el cilindro quecontiene el gas, haciendo que este comience a expandirse, pero sin cambiar su temperatura, puesto que elcalor es cedido al foco frío. Como la temperatura se mantiene constante, la energía interna no cambia, portanto todo el trabajo es absorbido por en forma de calor por la fuente de energía Qc.
  • 5. Marco Teórico 5 4-. Compresión adiabática: La fuente de energía Qc se retira para que el gas eleve su temperatura hastallegar a Th, aquí el volumen del gas alcanza su valor mínimo. Como durante esta etapa no existe unintercambio 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 sutemperatura 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 deCarnot 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 seráintroducido a la máquina térmica donde se expandirá o sufrirá una combustión que empujara el emboloproduciendo un trabajo mecánico, el resto de energía –desecho- será enviado al deposito frío con el fin dedisminuir su temperatura y reanudar el ciclo.
  • 6. Experimento: Materiales y Procedimiento 6 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:  1 Tarro  Circulo de lata  2 latas de bebida  Tapa de botella  1 Globo  Base de Madera  Tubo de PVC (codo)  Vela  Alambre  Cinta aislante  CD  2 palos de madera.  Alicate  Cortante  Suela para llaves  Aislapol y piedra   Tijeras● Procedimiento:Una vez reunido todos lo materiales, procederemos a confeccionar nuestro motor. Quitar completamente la tapa del tarro y Para confeccionar el pistón, cortarrmos 1/3 de una de las latas de bebida y la parte baja de la otra; lahacer una perforación por el lado en la parte primera será llenada con aislapol y una piedra para superior. poner peso, mientras que en la segunda procederemos a hacer un agujero en el centro para pasar un alambre.
  • 7. Experimento: Materiales y Procedimiento 7 Pondremos la segunda lata sobre la El círculo de lata será usado como tapa para elprimera en forma de tapa y la sellaremos con tarro, así que le haremos un agujero en el cinta adhesiva. centro y procederemos a meter el pistón previamente confeccionado dentro del tarro y sobre ellos la tapa, sellándolos completamente. Para hacer el segundo pistón; cortaremos una tapa plástica y pasaremos un alambre por el Uniremos el tubo de PVC al tarro, dejando la centro, sobre esto pondremos un globo que parte abierta hacia arriba. luego montaremos sobre el tubo de PVC, apretándolo bien para que no se escape el aire.
  • 8. Experimento: Materiales y Procedimiento 8 En un extremo, afirmaremos un Cd (queCortaremos un alambre y le daremos la forma tiene en el centro una suela con un agujero como se muestra en la imagen y a ello justo para pasar el alambre) de modo que uniremos ambos pistones. giren junto con el alambre. Uniremos los dos palos de madera a cadalado de nuestro motor y lo pondremos sobre la base, dejando un espacio en la parte baja, suficiente como para poner una vela.
  • 9. Observaciones y análisis 9 Una vez ensamblada la máquina, comenzamos con el experimento: Pusimos la vela sobre la base de lamáquina y le dimos un pequeño impulso con los dedos a la rueda para facilitar el comienzo. Como porobra de magia, la rueda siguió moviéndose (un poco más rápido que lo inicial) y no se detuvo hasta que lavela fue retirada. Según lo aprendido esto se debería a que el aire contenido dentro del tarro se calienta y empuja elpistón, 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 enfríay 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 sonnecesarios dos pistones, los cuales aumentan la potencia y utilizan así mejor la energía del otro. De estamanera 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 dirigidopor la forma del alambre al que se encuentran unidos los pistones y la rueda, esto sucede porque al subir elpistón 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 ciclointerminable, que solo se acaba cuando deja de haber un combustible, es decir, se apaga la vela.
  • 10. Conclusión 10 En conclusión podemos decir que, a pesar de que Carnot nunca logró construir su máquina y quetampoco fueron valorados sus descubrimientos inmediatamente, ha sido un gran aporte y el verdaderofundador de la termodinámica. Su contribución ha sido esencial para la creación de distintas máquinas quetrabajan basándose en su ciclo (aunque sin lograr la completa eficiencia), es decir ha sido un revolucionariode la física, que ha permitido grandes mejoras en la maquinaria y sobre el entendimiento de latermodinámica. El ciclo de Carnot, ha sido fundamental, pues ha cimentado una base que permitió a científicosposteriores hacer nuevos descubrimientos y perfeccionar de apoco las teorías termodinámicas, las cualesen la actualidad son esenciales para explicar el funcionamiento de muchos objetos que se encuentran anuestro alcance y con los que convivimos cotidianamente. El experimento que realizamos nos permitió entender el funcionamiento básico de la máquina deCarnot, además de mostrarnos como trabaja la termodinámica y como es posible que el calor pueda sertransformado en trabajo y viceversa.
  • 11. Bibliografía 11● 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