Motor Stirling

Facultad de Física

Laboratorio Termodinámica FIZ 0211

Motor Stirling

1. Materias Cambios de estado termodinámicos, magnitudes de estado, ciclos, energía, entropía, gas ideal, máquina térmica motriz, máquina motriz térmica, eficiencias 2. Literatura - Bergmann-Schäfer 'Lehrbuch der Experimentalphysik Bd.1' (manual de física experimental - tomo 1), de Gruyter, Berlín - Gerthsen, Kneser,Vogel 'Physik' (física), Springer, Berlín. - Eichler, Kronfeld, Sahn, 'Das Neue Physikalische Grundpraktikum' (nueva práctica básica en física), Springer, Berlín. - Falk, Ruppel, 'Energie und Entropie' (energía y entropía), Springer, Berlín. - Stephan, Mayinger, Springer, Berlín. 'Thermodynamik Bd.1' (termodinámica - tomo 1),

3. Preguntas para la preparación

1. Indique la ecuación de estadopara un gas "ideal" y de un gas "real". Fundamente las diferencias. 2. ¿Qué es entropía? ¿de qué dependen la entropía y la energía interna de un gas ideal? 3. Describa el primer principio de la termodinámica y aplíquelo a una expansión isotérmica, isocórica y adiabática en un gas ideal. 4. ¿Qué cambios de estado se desarrollan espontáneamente en la naturaleza? Formule el segundo principio de latermodinámica. 5. ¿Qué formas de energía se presentan en el experimento de motor Sterling? ¿cómo se miden? 6. ¿Qué es un ciclo reversible? ¿por qué las máquinas termodinámicas pasan por ciclos? 7. Bosqueje el diagrama T-S de una máquina Carnot y de una máquina Stirling. ¿Qué significado tiene el regenerador en el motor Stirling en este cuadro? 8. ¿Cómo se define (con sentido) en general laeficiencia de una máquina? ¿cuál es la diferencia entre la eficiencia "termodinámica" y la eficiencia "efectiva" de una máquina? 9. Bosqueje los diagramas p-V para un motor de aire caliente, la bomba de calor y la máquina enfriadora. Explique cómo se calculan gráficamente, a partir de los diagramas, las respectivas eficiencias termodinámicas. 10. ¿Qué ventajas y desventajas presenta el motor Stirlingfrente a otros motores?

4. Fundamentos La termodinámica es la ciencia general de la energía. Estudia las diversas manifestaciones de la energía y la transformación de un tipo de energía en otro. La termodinámica es una de las áreas básicas de la física, dado que prácticamente no existe un proceso físico sin transformación de energía. En el proceso Stirling observamos cambios de energía en un mediogaseoso. El contenido energético de un gas está determinado por las magnitudes físicas mesurables de volumen V, presión p y temperatura T. Para no tener que limitarse al concepto de energía, también puede observarse el estado de un gas determinado por las magnitudes de estado p, V y T. En el caso del gas ideal, éstas se relacionan mediante la ecuación de estado
pV = nRT
(1)

en que ncorresponde al número de moles del gas en el volumen V y R = 8,314J/(mol K), la constante de los gases. Si el gas se encuentra en un cilindro que en un lado está cerrado por un pistón (émbolo) móvil (ilustración 1), la magnitud del volumen V está determinada por la posición del pistón. Un dispositivo que convierte el movimiento del pistón con un cambio periódico del volumen del gas mediante una excéntricaen movimiento rotatorio, se denomina máquina de pistón. En ello, los cambios de volumen pueden originarse por diversos procesos físicos (por ejemplo, combustión, aporte de vapor o calor, accionamiento mecánico del volante). Durante un ciclo, el gas en el cilindro experimenta diferentes cambios de estado y vuelve al estado inicial. Este proceso se denomina ciclo.

Ilustración 1: Máquina de pistón(1: cilindro, 2: pistón, 3: excéntrica)

Uno de los objetivos del experimento de práctica es comprender, en el manejo con la máquina Stirling, los conceptos de sistema termodinámico, cambio de estado y ciclo. En ello, la máquina se opera como máquina térmica motriz (motor de aire caliente), máquina de refrigeración y bomba de calor. 4.1 Sistema termodinámico, cambio de estado Se denomina...