Termodinamica

modinamicMaquina Termica de Vapor
Laboratorio de Termodinámica General




ABSTRACT – En esta práctica se pretende estudiar y calcular la energía química, energía térmica y la eficiencia de una maquina térmica de vapor, es decir, que porcentaje de la energía que consume es capaz de proporcionar o suministrar, mediante un trabajo útil realizado.

PALABRAS CLAVE- Trabajo – Eficienciatérmica – Energía - Temperatura

FUNDAMENTO TEORICO
Una maquina térmica es un dispositivo que convierte la energía térmica en trabajo mecánico útil, por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una “fuente” caliente y un “sumidero” frío. El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo de calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamientode las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o un líquido.
La eficiencia de una máquina térmica está definida por la razón del trabajo neto al calor absorbido por el ciclo.

Las maquinas térmicas pueden ser operadas por distintas clases de combustibles, cada uno con su propio poder calorífico. El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia quepuede desprender al producirse una reacción química de oxidación, en el caso del etanol, tenemos que su poder calorífico es de 26800 kj/kg.

Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no se puede crear ni destruir en un proceso, solo cambia de forma. Cuando un sistema experimenta un cambio de un estado a otro, el cambio de su energía interna estádada por:

Donde W es el trabajo realizado y es el delta o diferencia de energía interna del sistema.

MONTAJE CON EXPLICACION
Se usaron materiales como:
* Caldera
* Combustible
* Válvulas de paso
* Recipientes de almacenamiento de agua
* Conductos para transporte del vapor

La práctica consiste en calentar un recipiente con agua por medio de un mechero cuyo combustiblees el etanol, el recipiente sellado es acoplado a unos conductos y a otro recipientes con una cantidad de agua y este a la vez está conectado a otro recipiente; al calentarse el agua, se empieza a producir vapor, el cual crea presión en el recipiente intermedio, esta presión hace que el agua empiece a subir hasta llegar al recipiente de recolección. En este experimento se puede observar lasdistintas transformaciones que sufre la energía. En el inicio del proceso tenemos la energía química producida por el etanol, la cual se transforma en energía térmica al calentar el agua para luego convertir esa energía térmica en trabajo, utilizado para desplazar una cantidad de agua a una altura ya definida.

Figura 1. Montaje maquina térmica de vapor

ANÁLISIS DE RESULTADOSMimechero=365.1g*1Kg1000g=0.3561Kg
Mfmechero=363.0g*1Kg1000g=0.363Kg
MTgastada=Mi-Mf=0.0021Kg

Distancia recorrida por el agua
d=21cm*1m100cm=0.21m
Temperaturas inicial y final en la caldera
ti=24oc+273.15=297.15oK
tf=98oc+273.15=371.15oK
∆T=tf-ti=74oK
Masa del agua en la caldera
M=50g*1Kg1000g=0.05Kg
Masa del agua desplazada
m=63g*1Kg1000g=0.063Kg
Poder calorífico del etanol
pcetanol=26800KjKgCapacidad térmica especifica del agua

Ahora teniendo todos los datos necesarios procedemos a calcular el trabajo efectuado al desplazar los 0.063 kg de agua 0.21 metros

Para encontrar el trabajo útil usamos:

w=0.063kg9.8ms20.21m=0.1297 j
Ahora para hallar la energía química producida por la masa dada de etanol usamos la siguiente expresión:

Equim=0.0021Kg*26800KjKg=56.28Kj*1000j1Kj=56280jLa energía térmica tiene la siguiente forma:

Eter=0.05Kg4.184KjKg*oK74oK
=15.48Kj*1000j1Kj=15480j
Ya teniendo los resultados de la energía química y térmica podemos encontrar ahora la eficiencia térmica y global del sistema:

La eficiencia térmica está dada por:

Eficienciater=0.1297 j*100%15480j=0.0008%

Este resultado es en realidad más bajo de lo que se esperaría, pero...