optativa ii - termodinamica

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERA EN SISTEMAS, ELECTRNICA E INDUSTRIAL

PERODO ACADMICO: ABRIL/2015 SEPTIEMBRE/2015

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

Facultad de Ingeniera en Sistemas, Electrnica e Industrial

TERMODINMICA

SIGCHA BYRON

VALENCIA FRANKLIN

SPTIMO A



I. PORTADA

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

Facultad de Ingeniera en Sistemas, Electrnica e Industrial

INVESTIGACIN

Ttulo: EXPERIMENTO DE JOULE Carrera: INDUSTRIAL rea Acadmica: OPTATIVA II Lnea de Investigacin: TERMODINMICA Ciclo Acadmico y Paralelo: SPTIMO A Alumnos Participantes: SIGCHA BYRON VALENCIA FRANKLIN Mdulo: TERMODINMICA Docente: ING. JORDN EDISSON



II. INFORME DEL PROYECTO 1.1 Ttulo

EXPERIMENTO DE JOULE

1.2 Objetivos

i. Objetivo General:

Analizar el experimento de Joule con sus caractersticas, en qu consista y cul es su procedimiento mediante la investigacin bibliogrfica.

ii. Objetivos Especficos:

Detallar el procedimiento del experimento de Joule mediante la investigacin bibliogrfica.

Identificar las caractersticas de los motores.

Describir como la energa y el calor son de igual magnitud.

1.3 Palabras Claves

Termodinmica, Motores, Joule, Calor, Energa.

1.4 Marco Terico

EXPERIMENTO DE JOULE

EXPERIMENTO DE JOULE En el siglo XIX, Joule ide un experimento para

demostrar que el calor no era ms que una forma de energa, y que se poda obtener a partir de la energa mecnica.

Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecnico del calor.



Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energa eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medan ambas eran tambin distintas.

La unidad de calor que se empleaba era la calora

Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se poda elevar la temperatura del agua transfirindole energa mecnica

PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO DE JOULE

El experimento de Joule fue una verdadera proeza de precisin y de ingenio considerando los medios de que se disponan en esa poca.

El aparato consista esencialmente en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas

De hecho ocho brazos revolventes, girando entre cuatro conjuntos de paletas estacionarias.

El propsito de estas paletas era agitar el lquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas.

El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido.

El experimento consista en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo.

Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotacin de los brazos revolventes agitando el lquido contenido en el recipiente.

CICLO DE

POTENCIA

Los ciclos de potencia de gas o dispositivos

cclicos generadores de potencia revisten de

gran importancia en el estudio de la

termodinmica ya que varios sistemas y

maquinas se basan en su funcionamiento.



CICLOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA.

Los ciclos ideales de los motores de combustin interna tienen un nivel elevado de simplificacin, que solamente permite analizar los aspectos cualitativos de los procesos termodinmicos reales y su eficiencia.

No se analizan los procesos de combustin, ni los fenmenos de transferencia de calor en los motores.

El anlisis termodinmico se realiza a travs de cuatro procesos secuenciales que incluyen:

LA COMPRESIN VOLUMTRICA DEL AIRE O LA MEZCLA DE AIRE Y COMBUSTIBLE.

Es el nmero que permite medir la proporcin en volumen, que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Disel) dentro de la cmara de combustin de un cilindro.

La relacin de compresin volumtrica en un motor de combustin interna Es decir el volumen mximo o total (volumen desplazado ms el de la cmara de combustin) entre el volumen mnimo (volumen de la cmara de combustin)



Para calcular su valor terico se utiliza la siguiente ecuacin:

Dnde:

d = dimetro del cilindro.

s = carrera del pistn desde el punto muerto superior hasta el punto muerto

inferior

Vc = volumen de la cmara de combustin.

RC = es la relacin de compresin y es adimensional.

camiones, barcos, turbinas de gas

Los modernos

motores de:

Son ejemplos de aplicaciones extremadamente tiles de estos

procesos



Tipos de motores de Combustin

Interna.

Motor convencional del

tipo Otto.

El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehculos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utiliz mucho el motor de dos tiempos (2T).

La termodinmica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximacin del grado de compresin. Esta relacin suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayora de los motores Otto modernos

Motores disel

La combustin tiene lugar en este ltimo a volumen constante en lugar de producirse a una presin constante.

La mayora de los motores disel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamao muy grande, ferroviario o marino, que son de dos tiempos.



Motor convencional del tipo Otto.

Funcionamiento.

Tiempo de admisin: El aire y el combustible mezclados entran por la vlvula de admisin.

Tiempo de compresin: La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la buja.

Tiempo de combustin: El combustible se inflama y el pistn es empujado hacia abajo.

Tiempo de escape: Los gases de escape se conducen hacia fuera a travs de la vlvula de escape.

Motores disel

Tiempo de admisin: el pistn sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cmara de combustin.

Tiempo de compresin, en que el pistn se acerca, el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 C. Al final de la fase de compresin se inyecta el combustible a gran presin mediante la inyeccin de combustible con lo que se atomiza dentro de la cmara de combustin, producindose la inflamacin a causa de la alta temperatura del aire.

Tiempo de trabajo, los gases producto de la combustin empujan el pistn hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigeal a travs de la biela, transformndose en fuerza de giro par motor.

Tiempo de escape, cuando vuelve el pistn hacia dentro.

Las idealizaciones y suposiciones empleadas en el anlisis de los ciclos de potencia son principalmente:

1) El ciclo no implica ninguna friccin

Es decir, el fluido de trabajo no experimenta ninguna cada depresin cuando fluye en tuberas o dispositivos como los intercambiadores de calor.

2) Todos los procesos de expansin y compresin ocurren en la forma de cuasiequilibrio.

3) Las tuberas que conectan a los diferentes componentes de n sistema

Estn muy bien aisladas y la transferencia de calor a travs de ellas es insignificante.

4) Se ignoran los cambios en las energas cintica y potencial del fluido de trabajo.



CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

bien sea, en una central carboelctrica, nucleoelctrica o central elctrica de gas natural segn el tipo de combustible que se emplee para suministrarle calor.

El vapor experimenta el

mismo ciclo termodinmico,

El vapor es el fluido de trabajo ms comnmente usado en ciclos de potencia de vapor debido a sus muchas y atractivas caractersticas como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporizacin.

La

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CIC

LO D

E C

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NO

T

Se define ciclo de Carnot como un proceso cclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotrmicas y dos adiabticas, tal como se muestra en la figura.

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B-C adiabtica

Tramo C-D isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A adiabtica



Transformacin

A->B (isoterma)

La presin pB se calcula a partir de la ecuacin del gas

ideal

Variacin de energa interna

Trabajo

Calor

Transformac

in B->C

(adiabtica)

La ecuacin de estado adiabtica es

o bien, . Se despeja

vc de la ecuacin de la adiabtica

. Conocido vc y T2 se

obtiene pc, a partir de la ecuacin del gas

ideal. .

Calor

Variacin de energa interna



Una mquina que funcione segn el

principio de Carnot

Cuyo rendimiento efectivo sea igual al rendimiento mximo constituye una mquina perfecta,

que no es realizable, pero cuyos caracteres deben conocerse para poder aproximarse a ellos lo ms posible. Las transformaciones a las que se somete un fluido pueden realizarse de dos formas distintas

A temperatura constante se obtiene una compresin o una expansin llamada isotrmica, que tiene lugar cuando la variacin 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 expansin. Si se trata de un gas al que puede aplicarse la ley de Boyle-Mariotte, la curva de presin en funcin del volumen ser una curva equiltera representada por la ecuacin pv= constante

Cuando el recinto donde se produce la expansin o la compresin est completamente aislado del calor que ninguna de las variaciones de la temperatura del medio que ocupa este recinto puede reducirse por una prdida de calor a travs de las paredes, la transformacin se llama adiabtica.

1.

2

.



LOS CICLOS DE ERICSSON Y STIRLING

El efecto combinado de interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin.

Es un aumento en la eficiencia trmica de un ciclo de potencia de turbina de gas.

Es interesante examinar que pasa cuando el nmero de etapas tanto de interenfriameiento y de recalentamiento se hace infinitamente grande.

En tal situacin los procesos isoentropicos de compresin y expansin pasan a ser isotrmicos

El ciclo se puede representar mediante dos etapas a temperaturas constantes y dos procesos a presin constante con regeneracin.

A un proceso as se le llama ciclo de Ericsson.

En este el fluido se expande isotrmicamente del estado 1 al 2 a travs de una turbina se produce trabajo y el calor se absorbe reversiblemente desde un deposito a Ta,

luego el fluido se enfra a presin constante en un regenerador, del estado 3 al 4 el fluido se comprime isotrmicamente.

Esto requiere una entrada de trabajo y una expulsin reversible de calor hacia un deposito a Tb,

Por ltimo el fluido se calienta a presin constante hasta el estado inicial hacindolo pasar a contracorriente a travs del regenerador como la nica transferencia de calor externa acta sobre los depsitos y como todos los procesos son reversibles, la eficiencia es igual a la del ciclo de Carnot.



Este se compone de 2 procesos isotrmicos reversibles y dos procesos a volumen constante tambin reversibles.

Otro ciclo de mas importancia pero critico y que incorpora un regenerador en su esquema es el ciclo Stirling,

sirve para mostrar como podra colocarse un regenerador para aumentar la eficiencia trmica.

No obstante el ciclo de Ericsson es impractico,

El gas se expande isotrmicamente a partir del estado inicial 1 al 2 aadiendose calor desde un depsito a temp.

Ta, del estado 2 al 3 se elimina energa a volmenes constante hasta que la temperatura del fluido es igual a Tb

luego el volumen se reduce de manera isotrmica hasta su valor original, extrayndose calor reversiblemente hasta un segundo deposito a Tb,

finalmente se aade calor a volumen constante desde un estado 4 al 1. Aplicando un balance de energa para estos dos procesos se ve que son de la misma magnitud.

CIC

LO D

E B

RA

YTO

N

Este ciclo se considera el bsico en el anlisis de turbinas.

Este es un ciclo simple para una turbina de gas se emplea equipo separado para los diversos tipos de procesos del ciclo.

A continuacin se define primero lo que es un ciclo abierto, al inicio el aire se comprime en forma adiabatica en compresor rotatorio axial o centrifugo,

el aire entra a una cmara de combustin donde se inyecta y quema combustible a presin constante,

los productos de esta combustin luego se expanden en una turbina hasta alcanza la presin ambiente de los alrededores.



Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya que debe introducirse aire continuamente.

En el ciclo de Brayton idealizado en comparacin al de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de presiones y temperatura espera en un intervalo de volumen m s amplio, esto hace que no sea adecuado para el uso en mquinas alternativas.

Este ciclo consta de compresin adiabatica, calentamiento a presin constante y expansin adiabtica

Debido a que los gases que se expanden estn ms calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansin es mayor que el de compresin; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos

Si se agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la eficiencia.

Aadiendo adems de interenfriamiento en el compresor y recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansin se incrementa la salida de potencia para un tamao dado de turbina de gas.

La eficiencia

trmica del ciclo de Brayton

depende principalmente de la relacin de presiones, la temperatura de admisin a la turbina y las perdidas parsitas

(en especial las eficiencias del compresor y de la turbina).

En el caso terico de un aire estndar ideal sin perdidas internas

Se puede demostrar que la eficiencia trmica depende solo de la relacin de presiones en el compresor (p2/p1).

n. Br = 1 - 1/(p2/p1)^(k-1)/k



CIC

LO D

E R

AN

KIN

E Este ciclo se compone de cuatro procesos distintos.

Comenzando con la bomba de alimentacin, el lquido que entra al calentador se lleva primero a la presin del calentador.

La energa para el calentamiento y la vaporizacin del lquido est proporcionada por la accin del combustible en el calentador.

Si se requiere el sobrecalentamiento del vapor, este tambin puede lograrse en el calentador.

El vapor sale del generador de vapor y se expande en forma isoentrpica en un motor primario hasta proporcionar la salida de trabajo del ciclo.

Los cuatro componentes utilizados del ciclo de Rankine dispositivos de flujo estable por lo cual los cuatro procesos que conforman el ciclo Rankine

son analizados como procesos de flujo estable; la ecuacin de energa de flujo estable para estos dispositivos(la energa cintica y potencial del vapor son pequeos comparados con la transferencia de calor y trabajo) por unidad de masa de vapor se reduce a:

Adicin de calor a presin constante en una caldera

El agua entra a la caldera como lquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en estado 3.

La caldera es bsicamente un gran intercambiador de calor donde este se origina en los gases de combustin, reactores nucleares u otras fuentes y se transfiere al agua a presin constante.

La caldera con el sobrecalentador (donde se sobrecalienta el vapor) recibe el nombre de generador de vapor. La primera ley de la termodinmica para la caldera se expresa como:



1.5 Conclusiones:

A travs del presente trabajo se ha analizado el procedimiento del experimento de

joule que consiste en demostrar que se poda elevar la temperatura del agua

transfirindole energa mecnica.

A travs de la investigacin bibliogrfica se ha detallado el procedimiento donde el

aparato consista esencialmente en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas De

hecho ocho brazos revolventes, girando entre cuatro conjuntos de paletas

Ciclo Inverso De Carnot (Ciclo Frigorfico)

ste utiliza un sistema del tipo de compresin mecnica de un vapor.

El ndice de eficacia de un sistema de refrigeracin no es una eficiencia, sino la relacin conocida como coeficiente de funcionamiento (COP), que se define como el calor suministrado dividido entre el trabajo neto realizado:

COP= Qent./Wnet.

Como el ciclo de Carnot es el mejor u ptimo posible, el COP (o CF) correspondiente a tal ciclo suele utilizarse como base de comparacin de los valores de COP obtenidos en otros ciclos.



estacionarias agitar el lquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas, el eje se

conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de

peso conocido. El experimento consista en enrollar la cuerda sujetando las masas

sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo, al dejar caer las

masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotacin de los brazos revolventes

agitando el lquido contenido en el recipiente.

Se ha identificado las principales caractersticas de los motores la compresin

volumtrica del aire o la mezcla de aire y combustible, y los ciclos de potencia de

vapor.

1.6 Referencias Bibliogrficas

[1]BIBLIOTECA DIGITAL, CIENCIA, MEXICO. DISPONIBLE [ONLINE]:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/05/htm/s

ec_6.html

[2]ACADEMIA, CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR, 2015. DISPONIBLE [ONLINE]:

http://www.academia.edu/7518059/CICLOS_DE_POTENCIA_DE_VAPOR

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