Informe De Ciclo De Carnot

INDICE

INTRODUCCION

PAG. 2

OBJETIVOS

PAG. 3

FUNDAMENTO TEORICO

PAG.4-9

PARTE EPERIMENTAL, CALCULOS Y CUESTIONARIO

PAG. 9-16

APLICACIÓN A LA CARRERA OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

PAG. 16-18 PAG. 18-19

CONCLUSIONES

PAG. 20

BIBLIOGRAFIA

PAG. 21

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I.

FIGMM-FISICA II

INTRODUCCIÓN

Desde el inicio de la era industrial, el hombre vio una manera más científica de cuantificar el esfuerzo y trabajo usado por las revolucionarias “máquinas”; es así que precursores de la termodinámica, como son Sadi Carnot, Lord Kelvin y Clausius, le dieron principal importancia a las máquinas térmicas, dándole inicio al estudio de la termodinámica clásica.

2

Este estudio se dio principalmente a inicios del siglo XIX con una visión macroscópica, por la necesidad de encontrar relaciones científicas entre las variables cuantificables de estado y el trabajo ejercido por las máquinas; el punto de partida siempre fue el hecho de cómo trasformar energía térmica en trabajo (movimiento). Esta rama de la física tiene sus pilares en sus leyes o principios termodinámicos, sencillos en teoría pero fundamentales para el desarrollo del tema, así se puede dar entendimiento a los diferentes ciclos existentes en el tema; de la utilización de estas teorías es que se extiende el estudio de ciclos donde destaca principalmente el ciclo de Carnot, este ciclo consta de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos los cuales nos dan teóricamente una máquina con el mayor porcentaje de eficiencia posible, que de hecho es diferente al 100%; ya que Carnot además de presentarnos su ciclo, nos dio también una percepción más amplia de la eficiencia de las máquinas, dando como principal conclusión que no existe máquina alguna con una eficiencia del 100%. Por último también se pueden destacar otros ciclos termodinámicos importantes como es el ciclo de Otto, Diesel, Stirling, entre otros; con aplicaciones directas a diferentes tipos de máquinas que ayudan a la alta industria, con prototipos cada vez más eficientes.

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II.

FIGMM-FISICA II

OBJETIVOS

1. EXPERIMENTO DE TRANSFORMACIONES TERMODINAMICAS  Conocer e interpretar los conceptos básicos de las variables de estado involucradas en el estudio de la termodinámica, tales como presión, temperatura, volumen.

3  Terminar con un incremento en el conocimiento de la termodinámica y sus aplicaciones a la carrera.

2. EXPERIMENTO DE CICLO DE CARNOT  Visualizar y analizar la evolución de los procesos en un ciclo de Carnot.  Calcular los valores de W, Q en cada etapa del ciclo y la eficiencia del ciclo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE AMBOS EXPERIMENTOS. 

Explicar visualmente la variación de Q, ΔU y W a través del programa que nos dio la profesora Zoyla Ruíz.

 Dar a conocer que se entiende por trabajo W de una máquina térmica.  Transmitir los conceptos de la energía interna a la parte experimental, por medio de las aplicaciones encontradas. 

Representar las clases de sistemas utilizados en la termodinámica, así como sus

 Aplicar los conocimientos de la máquina de Carnot, por medio del programa, para hallar su eficiencia y el calor cedido al medio por el foco frío.

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO 1. PROCESOS TERMODINAMICOS Recuerda también que la descripción de los sistemas se realiza por medio de las funciones de estado, las cuales a su vez están relacionada por medio de las ecuaciones de estado.

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En este punto estudiaremos transformaciones termodinámicas que actúan sobre los llamados gases perfectos. Un gas perfecto es aquel cuyo ecuación de estado tiene la forma:

Donde:

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P es la presión del sistema (Pa) V el volumen (m3) n el número de moles gaseosos contenidos en el sistema T la temperatura (K) R la constante de los gases perfectos, cuyo valor en las unidades anteriores es 0,082 Pa.m3/K.mol (en unidades SI es 8.314 J/mol.K) Estudiaremos ahora una por una las transformaciones termodinámicas más importantes.

TRANSFORMACIÓN ISÓCORA. Transformación termodinámica que tiene lugar a volumen constante. Un ejemplo de este tipo de transformaciones sería el proceso de calentamiento de los gases contenidos en un recipiente rígido y herméticamente cerrado.

Por ser constante el volumen, el trabajo en estos procesos es cero. En este tipo de transformaciones se mantiene constante el volumen, pero además hay que tener en cuenta que: Si no hay reacción química también se mantiene constante el número de moles. Por otro lado R es una constante. Por lo tanto puedo despejar en la ecuación de los gases perfectos y obtener:

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Si consideramos un instante inicial 1 y un instante final 2:

Ordenando términos:

5 Además también tenemos que:

Donde cv es el calor específico a volumen constante.

TRANSFORMACIONES ISÓBARA: Transformación termodinámica realizada a presión constante. Un ejemplo de este tipo de transformaciones sería el proceso de calentamiento de los gases contenidos en un globo herméticamente cerrado. De forma análoga a la seguida en las transformaciones isobáricas llegaríamos a:

Además tenemos que:

Donde cp es el calor específico a presión constante.

TRANSFORMACIÓN ISOTERMA: Transformación termodinámica realizada a temperatura constante.

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La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas.

En el diagrama p-v se obtiene una hipérbola como en la figura. Por ello podemos escribir:

6 Además tenemos que el trabajo es el área bajo la curva:

Por otro lado en los gases perfectos la energía interna sólo es función de la temperatura. Al ser esta constante en los procesos isotérmos se obtiene:

TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICA: Es la que tiene lugar sin intercambio de calor. Un ejemplo de transformación de este tipo sería la compresión de un gas contenido en un cilindro en la que se varía el volumen a través de un émbolo, estando el sistema cerrado y aislado térmicamente del exterior.

En este tipo de transformaciones el diagrama pV toma la forma de una hipérbola como en la figura. La ecuación que describe estos procesos es:

Donde γ es el coeficiente adiabático del gas (en el caso del aire γ=1,4). Además tenemos que:

6

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Por otro lado como Q=0

Donde cv es el calor específico a volumen constante. La transformación adiabática siempre presenta mayor pendiente que la isoterma.

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CICLO TERMODINÁMICO Se

denomina

ciclo

termodinámico

a

cualquier

serie

de

procesos

termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial, por ejemplo un gas contenido en un cilindro con pistón. Durante esta evolución, el gas al interactuar con su medio exterior puede absorber o ceder calor así también puede intercambiar trabajo, es decir el gas puede expandirse o el medio exterior puede comprimirlo. En un ciclo termodinámico las energías internas inicial y final coinciden: Ui = Uf

Por la 1a Ley de la termodinámica: U = Q - W Se obtiene Siendo

Qciclo = Qh – Qc

(1)

Qciclo = Wciclo =

calor neto absorbido en el ciclo

El trabajo total en todo el ciclo es igual al área encerrada en el diagrama pV.

Wciclo = Qh – Qc

CICLO DE CARNOT MÁQUINAS TÉRMICAS Son dispositivos que sirven para convertir el calor en trabajo. Una máquina térmica trabaja en un ciclo termodinámico. La maquina absorbe el calor Qabs de una fuente a alta temperatura TH y desecha o cede el calor Qced a otra fuente de menor temperatura TC.

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Eficiencia o Rendimiento Térmico (e):

8 Si Qabs = Qh y Qced = Qc la eficiencia de la maquina e esta definida por

e

W Q  Qc Trabajo  ciclo  h Calor absorbido Qh Qh e

Wciclo Q  1 c Qh Qh

MÁQUINA DE CARNOT Es una máquina térmica que trabaja con dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. La eficiencia de Carnot es la máxima eficiencia ideal que se puede obtener con cualquier otra máquina trabajando bajo las dos mismas fuentes de calor.

Tramo AB

Tramo BC

Expansión isotérmica

Expansión adiabática

Qh > 0 (absorbe calor)

QBC = 0

U = UB –UA = 0 ncVΔT

U

WAB = nRThLn

VB >0 VA

=

UC-UB =

WBC = - U > 0

(3)

8

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Tramo CD

Tramo DA

Compresión isotérmica

Compresión adiabática

Qc<0 (libera calor)

QDA = 0

U = UD-UC = 0

U = UA-UD > 0

WCD = nRTcLn

VD <0 VC

WDA = - U <0

Eficiencia de la máquina de Carnot

e=1-

QC T =1- C Th Qh

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(5)

[T] = k

IV.

PARTE EXPERIMENTAL

Relación de materiales, equipos y reactivos  Software de internet

 Computadora con JAVA instalado

aplicación

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3. Operación de los experimentos (Procedimiento): 2. Procedimiento del experimento,Transformaciones termodinámicas:  Se especifica el estado inicial, introduciendo la presión, volumen y temperatura en la primera columna del panel derecho.  Se elige el tipo de transformación, pulsando en el botón de radio correspondiente situado en el panel izquierdo.  Se introduce los datos requeridos para el estado final, según se indica en la línea de estado, situada a la derecha de los botones.

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 Se pulsa el botón titulado Calcular.  La línea de estado informa de los errores producidos, es decir, si faltan datos, o se han introducido más de la cuenta.

3. Procedimiento del experimento, Ciclo de Carnot: Introducir los valores de las siguientes variables Temperatura del foco caliente T1 Temperatura del foco frío T2 Se tiene que cumplir que T1> T2 El volumen de A, vA, El volumen de B, vB. Se tiene que cumplir que vA< vB La presión de A, pA Una vez introducidos los datos se pulsa el botón titulado Empieza, el programa interactivo calcula: La presión y el volumen de cada uno de los vértices El trabajo, calor y variación de energía interna en cada una de las transformaciones El trabajo total, el calor absorbido y el calor cedido.

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Cálculos, resultado e imágenes:

PROCESOS TERMODINAMICOS Aquí observaremos gráficamente a través del software cada uno de los principales procesos termodinámicos, al introducir los datos observaremos los resultados y el cumplimiento de las propiedades y leyes que las preceden.

11 PROCESO ISOBARICO

PROCESO ISOCORO

11

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PROCESO ISOTERMICO

12

PROCESO ADIABATICO

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MAQUINA DE CARNOT 13 En esta parte de la experimentación podremos observar cómo es que al introducir nuestros datos observaremos como se ejecuta la máquina de Carnot, cuyos resultados se darán

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V.

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DESARROLLO DE CUESTIONARIO Y PROBLEMAS



Inicie el programa presionando en Empieza

Tome los datos de la pantalla y complete el siguiente cuadro

14 Variable Temperatura (K)

A 450

B 450

C

D

293

293

Volumen (l)

4

8

15.22

7.61

Presión (atm)

15

7.5

2.56

5.13

Usando la ecuación del gas ideal, determine el número de moles.

n = 1.626 Moles

Calcule el trabajo y el calor absorbido en el proceso AB, utilizando la ecuación (3) y la 1ra ley de la termodinámica ecuación (1).

W (J) = 4199.07 J

Sabiendo que : R= 8.31 joules/mol-K

Q (J) = 4199.07 J

Calcule el Trabajo en el proceso BC, utilizando la 1ra ley de la termodinámica, ecuación (1) y ecuación (4).

W (J) = 3170.34 J

Calcule el trabajo y el calor absorbido en el proceso CD, utilizando la ecuación (3) y la 1ra ley de la termodinámica ecuación (1)

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W (J) = -2734.06 J Q (J) = 0 J

Calcule el Trabajo en el proceso DA, utilizando la 1ra ley de la termodinámica, ecuación. (1) y la ecuación (4).

15 W (J) =-3170.34 J

Calcule la eficiencia del ciclo utilizando la ecuación ( 2)

e

W Q  Qc Trabajo  ciclo  h Calor absorbido Qh Qh

Eficiencia = (1465.01/4199.07)100% = 34.88 %

Calcule la eficiencia del ciclo utilizando la ecuación (5)

e=1-

QC T =1- C Th Qh

Eficiencia = 1 - 2734.06 J/4199.07 J = 34.88 %

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VI.

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APLICACIÓN A LA ESPECIALIDAD

APLICACIÓN DE LA MAQUINA DE CARNOT Las primeras aplicaciones de esta máquina es el bombeo de agua a las minas. Varias máquinas fueron inventadas una vez cada vez mejor que la otra pues aprovechar el combustible y el calor era el objetivo. El agua llamada "substancia actuante " era la más conveniente para la utilización en un aparato térmico.

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Para el inicio del siglo XIX la tecnología había dado pasos enormes, la teoría de la energía hidráulica fue sólidamente establecidas pero la ciencia del calor no tuvo gran desarrollo. El bombeo del agua en Las

MINAS: progreso y problemas

En el siglo XIX bombear agua a las minas fue el empujón para que los aparatos de vapor fueran perfeccionados. 







Al calor deben atribuirse los grandes movimientos que se nos presentan sobre la tierra; a él son debidas las agitaciones de la atmósfera, la ascensión de las nubes, la caída de las lluvias y de los otros meteoros, las corrientes de agua que surcan la superficie del globo y de las cuales sólo una pequeña parte ha logrado el hombre emplear para su uso; por último, los terremotos y las erupciones volcánicas reconocen también como causa el calor. De este inmenso recipiente podemos sacar la fuerza motriz necesaria para nuestros usos; la naturaleza ofreciéndonos por todas partes el combustible, nos ha dado la facultad de crear en todo tiempo y en todo lugar el calor y la potencia motriz que es su consecuencia al objeto de las máquinas de fuego consiste en desarrollar esta potencia y adaptarla a nuestro uso. La navegación segura y rápida de los buques de vapor, puede considerarse como un arte completamente nuevo, debido a las máquinas de fuego. Este arte ha permitido ya el establecimiento de comunicaciones rápidas y regulares en los mares y grandes ríos del antiguo y del nuevo continente. La producción del movimiento en las máquinas de vapor está siempre acompañada de una circunstancia sobre la cual debemos fijar la atención. La producción de la potencia motriz en las máquinas de vapor, no es debida a un consumo real de calórico, sino a su transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío, es decir, al restablecimiento de su equilibrio,

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 

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que se supone roto por cualquier causa, por una acción química como la combustión, o por cualquiera otra. Estas máquinas fueron invención de ingleses célebres tales como Watt, Woolf, Trevithick, y otros signos inglés. El funcionamiento básico de la máquina de la máquina de vapor es el restablecimiento del equilibrio calórico, es decir, el paso de esta última de un cuerpo caliente a un cuerpo más frío.

INCONVENIENTES PARA SU EXACTA REALIZACIÓN PRÁTICA: En ciclos de gas: La transferencia de calor isotérma reversible es dificil de llevar

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a cabo en la realidad ya que requeriría tiempos muy largos En ciclos de vapor: Es difícil de encontrar la composición exacta de líquido que cierre el ciclo.

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APLICACION DE LOS PROCESOS TERMODINAMICOS A LA MINERIA Simulación termodinámica de un proceso piro metalúrgico de oxidación de los minerales sulfurados de cobre Modelos de Simulación Termodinámica se han venido desarrollando para observar la conducta de los elementos menores Zn, Pb, As, Sb y Bi; así como también los elementos mayores Cu, Fe, Si, 0 y S en los procesos de Conversión: y Fusión: NORANDA e ISASMELT para la producción de matas ricas en Cobre.

18 En el proceso Noranda se muestra un modelo de Estado Estacionario para la obtención de una mata de alto grado en cobre metálico. El proceso lsasmelt se basa en el concepto de los dos lugares de reacciones independientes en el baño (interfase mata - escoria ): una oxidación rápida y una reducción lenta. El balance de calor del proceso y la termodinámica de distribución de los elementos menores están unidas y expresadas en términos de las variables de proceso tales como la Temperatura, 02 enriquecido, Composición de la Carga, Grado de la Mata y Contenido de la Magnetita en la escoria y otras variables son incorporados en el moldeamiento, el cual puede predecir los efectos de operación de los parámetros químicos y puede también contribuir a proveer el control metalúrgico.

VII.

OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES:

RECOMENDACIONES Para poder realizar el presente laboratorio se debe tener en consideración las siguientes recomendaciones para su correcto uso y elaboración:

 Es imprescindible el uso de una computadora personal, teniendo en cuenta la capacidad de memoria y su rendimiento en programas de ingeniería.

 El uso de internet es de suma importancia, debido a que se deben complementar conceptos básicos de los procesos termodinámicos, así como también permitir el uso de los diferentes programas que nos ayudan a calcular los gráficos de los procesos ya mencionados.

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 Se debe contar con el programa Java Script 7.0 para el correcto funcionamiento de los programas que nos permitirán calcular las gráficas de los procesos termodinámicos.

 Se debe contar con un conocimiento básico del uso de los programas de computadora como son Excel, Power Point y Word; así como también el uso de programas en internet.

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OBSERVACIONES Durante la realización del presente laboratorio se pudo observar y apreciar diversos detalles, los cuales diferencian la teoría y la práctica de la realidad.

 Se observa que los cálculos realizados por el programa no son exactos debido a que se truncan decimales, lo que nos permite un resultado muy similar a la realidad pero no igual.  Se utilizaron las variables de estado conocidas, teniendo en cuenta que son limitadas.  La graficas mostradas nos simulan los resultados prácticos pero no pueden representar la realidad.  Observamos que aplicando valores determinados enteros podemos obtener resultados exactos considerando el correcto uso y aplicación de la máquina de Carnot.  Los resultados observados nos simulan los diferentes procesos termodinámicos brindándonos una idea más clara del tema a estudiar.

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VIII.

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CONCLUSIONES GENERALES DEL INFORME

 Se logra observar que a diferencia de hacer nuestro laboratorio en la sala de ciencias, hacerlo virtualmente nos generó un estándar de error prácticamente nulo, ya que el programa nos genera cálculos exactos con nuestros datos iníciales.

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 Podemos darnos cuenta que la teoría de Carnot sobre las máquinas térmicas si se cumple ya que no se logra una eficiencia de 100%.

 En la termodinámica el estudio de los ciclos nos permiten interpretar a futuro los resultados en relación directa al trabajo que se quiere obtener.

 Por las gráficas obtenidas notamos que cualquier variación de volumen es indicador de que existe un trabajo positivo o negativo.

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IX.

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BIBLIOGRAFÍA SISTEMA (APA):

 Moran ,M.J. Shapiro, H.N. : Fundamentos de TermodinamicaTecnica.. Ed. Reverte, 1999. 536 MOR fun

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 Wark, K. Richards, D.E.: Termodinamica, 6a EdicionMcGraw-Hill, 2001  Cengel, Y. A.; Boles, M.A.: Termodinamica. Mc Graw-Hill, 1996.  Haywood, R.W. : Ciclos termodinamicos de potencia y refrigeracion Ed. Limusa, 2000.

BIBLIOGRAFÍA VIRTUAL

 http://rusocdu.blogspot.com/2012/05/libros-y-software-determodinamica.html

 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html

 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html

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