Semana 14

SEMANA 14

Máquinas Térmicas y Eficiencia de Máquinas ideales y reales.

La eficiencia en una maquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado, la formulas es la siguiente: 

e = T / Q1 = (Q1-Q2)/Q1 = (T1-T2)/T1 donde: 

T = trabajo mecánico (cal, Joule) 

Q1 = calor suministrado (cal, Joule) 

Q2 = calor obtenido (cal, Joule) 

T1 = trabajo de entrada (cal, Joule) 

T2 = trabajo de salida (cal, Joule) 

e = eficiencia (%)

La eficiencia de una máquina térmica depende entre qué temperaturas trabaje... porque esto es fundamental

Pero lo que importa es que esto junto con las características de fabricación de dicha máquina hace que se produzcan determinadas pérdidas de calor que producen una disminución de la eficiencia y por lo tanto la máquina no entrega el 100 % de su rendimiento como sería en un caso ideal, sino que tiene un rendimiento menor.

Una máquina térmica consiste en un instrumento que genera trabajo mecánico a partir de energía térmica, pero no toda la energía térmica la transforma en energía mecánica sino que parte de esta energía se disipa al medio ambiente.

Ninguna máquina puede tener un rendimiento mayor al de la llamada máquina térmica de Carnot que se determina en base a las temperaturas entre las cuales operaría dicha máquina, pero sería en condiciones también ideales para la fabricación de la máquina.

Por supuesto, existen consideraciones de diseño que impiden que las máquinas reales alcancen el rendimiento de la máquina de Carnot. Así, las indeseables pérdidas de energía, por fricción, conducción, radiación, reducen drásticamente el rendimiento de las máquinas reales. Pero estas pérdidas de rendimiento se pueden suprimir en parte mediante nuevos diseños, materiales más avanzados o mejores lubricantes, haciendo que se acerque el rendimiento de la máquina real al de la máquina de Carnot. Sin embargo, el máximo rendimiento que cualquier máquina funcionando entre dos focos puede tener, siempre será el de la máquina de Carnot funcionando entre ambos focos.

Esquema General de las Máquinas Térmicas.

Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas

Las máquinas térmicas son aquellos dispositivos que se utilizan para transformar la energía (de un tipo a otro), y que en su funcionamiento producen un intercambio de calor. Dentro de las clases de máquinas térmicas, hay dos grandes grupos: los motores y los generadores. En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina. Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo las transformaciones energéticas que terminan en calor suponen una degradación de la energía, toda vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales.

Semana 14 SESIÓN 40	Maquinas térmicas.
contenido temático	Funcionamiento de una máquina térmica.

 

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales:  ·         Conoce el principio de funcionamiento de las Maquinas térmicas Procedimentales: Construcción en equipo de una máquina térmica y presentación ante el grupo: Herón, Savery, bombas de presión de vapor y de succión, turbina de vapor, lanchita de vapor, rueda de ligas. Elaboración de acetatos y manejo del proyector. ·         Presentación en equipo Actitudinales: Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De laboratorio: -          Parrilla eléctrica sistema de calentamiento, matraz Erlenmeyer de 250 ml, tapón de hule horadado, tubo de desprendimiento, rehilete de pastico, termómetro. De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos De computo: -          PC, y proyector tipo cañón -          Programas:  Hoja de cálculo, procesador de palabras, presentador. Didáctico: -          Resumen escrito, en documento electrónico
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase, plantea la pregunta siguiente:                                                                                                                                                                                                                                                                            ¿Cómo es posible aprovechar las propiedades del vapor de agua para crear un motor que no consumirá energía? Preguntas ¿Qué es una maquina térmica? ¿Cómo funciona una maquina térmica? ¿Qué es la eficiencia ideal de una maquina térmica? ¿Cómo se calcula la eficiencia real de las maquinas térmicas? ¿Cuáles son las variables que intervienen en las maquinas terminas? ¿Qué unidades se utilizan en las variables de las maquinas térmicas? Equipo 6 3 1 2 4 5 Respuesta Es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones térmodinamicas cíclicas, para que la máquina pueda funcionar de forma continúa. Las maquinas térmicas aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico, la energía transferida como calor a la maquina no puede, a su vez ser transferida íntegramente por esta, como trabajo. Una parte de la energía debe ser transferida como calor. Es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado. e=T/Q1=(Q1-Q2)/Q1=(T1-T2)/T1 Donde: (cal/joule) T= trabajo mecanico Q1= calor suministrado Q2= calor obtenido T1= trabajo de entrada T2= trabajo de salida e= eficencia (%) e=T/Q1=(Q1-Q2)/Q1= (T1-T2)/T1 T= trabajo mecánico (cal. Joule) Q1= Calor suministrado (cal. Joule) Q2=calor obtenido (cal. Joule) T1=Trabajo de entrada (cal. Joule) T2=Trabajo de salida (cal. Joule) e= eficiencia.(%) Joules (trabajo y energía) Temperatura °C Después discuten y sintetizan el contenido                                                             FASE DE DESARROLLO Colocar 100 ml de agua en el matraz erlenmeyer, y tapar con el tapón horadado colocar el tubo de vidrio de desprendimiento. Calentar el agua y medir la temperatura de salida del vapor, colocar en la salida del vapor de agua el rehilete y medir el número de revoluciones. Tabular y graficar los datos obtenidos, temperatura-vueltas. Equipo Temperatura del vapor Giros por minuto del rehilete 1 80° Sin giros 2 70° Sin giros 3 80° Sin giros 4 80° C Sin giros 5 82° C Sin giros 6 64°C Sin giros Conclusiones: El Profesor solicita a los alumnos que  presenten resultados, empleando la técnica seleccionada. FASE DE CIERRE        Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una conclusión grupal de la importancia de las maquinas térmicas.                       Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en el Blog. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

Semana 14 SESIÓN 41	Esquema general de las maquinas térmicas
contenido temático	Esquema general de las maquinas térmicas.

 

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales: ·         Conocerán  el esquema de las diferentes maquinas térmicas. Procedimentales: ·         Analiza la aplicación de transferencia de la energía por medio del calor y el trabajo ·         Explicación del funcionamiento del motor de combustión interna con el modelo existente en los laboratorios. Actitudinales ·          Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos De computo: -          PC, y proyector tipo cañón -          Programas:  Gmail, Googledocs. Didáctico: -          Resumen escrito, en documento electrónico
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase, solicita a cada equipo: ¿Cuáles son los diferentes tipos de máquinas térmicas? Máquina de vapor Rotativas Motor Stirling Turbomáquinas Turbina Alternativas Compresor de émbolo Rotativas Compresor rotativo Turbomáquinas Turbocompresor Equipo 4 6 5 2 1 3 Respùesta e imagen El motor stirling usa como sustancia de trabajo el gas helio y como combustible o energía de accionamiento la radiación solar este motor es capaz de producir aproximadamente 1KW de energía Eléctrica. Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético Los compresores rotativos pueden tener dos mecanismos de -acción, con paletas o de excéntrica, también llamados de rodillo. En los compresores de paletas y de rodillo, la compresión se produce por la disminución del volumen resultante entre la carcasa y el elemento rotativo, cuyo eje no coincide con el eje de la carcasa (ejes excéntricos). En estos compresores rotativos no son obligatorias válvulas de admisión, ya que como el gas entra de forma incesante en el compresor la pulsación de gas es mínima. máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor giratorio) a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por acción de la máquina. Se da así una transferencia de energía entre la máquina y el fluido a través del momento del rotor sea en sentido máquina-fluido (como en el caso de una bomba hidráulica) o fluido-máquina (como en el caso de una turbina) Un turbocompresor o también llamado turbo es un sistema desobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión internaalternativos, especialmente en los motores diésel. El Profesor solicita a los alumnos que  presenten resultados, empleando la técnica seleccionada. http://pelandintecno.blogspot.mx/2011/03/maquinas-de-vapor-de-newcomen-y-de.html FASE DE DESARROLLO Principio de la máquina de Thomas Savery Colocar 50 ml de agua en el matraz Erlenmeyer, tapar el matraz con el tapón, tubo de desprendimiento y manguera. Colocar el sistema anterior sobre el tripie y la manguera a un vaso de precipitados con 100 ml de agua. Calentar  el matraz hasta ebullición del agua (30 ml), esperar a que el matraz se enfrie y medir la cantidad de agua que regresa al matraz. Calcular la eficiencia del retorno de agua. Equipo Agua en el matraz ml Agua que regreso Eficiencia 1 50ml 75ml 60 2 50ml 75ml 60 3 50ml 75ml 60 4 40ml 85ml 80 5 50ml 75ml 60 6 50ml 85ml 60 Conclusiones: Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una misma conclusión consensada.                         Los alumnos comentaran como han repercutido en su vida cotidiana las maquinas térmicas. FASE DE CIERRE          Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una conclusión grupal relativa a las diferentes tipos de máquinas térmicas.                     Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

Recapitulación 14

Resumen  del  martes y jueves

Equipo	1	2	3	4	5	6
Resumen	El día martes se hizo una práctica en la cual se la calculó la fuerza o potencia con la que era expulsado el vapor de agua con la ayuda de un rehilete. El día jueves se realizó otra práctica donde se calculó la eficiencia de las máquinas térmicas.	El día martes revisamos las indagaciones correspondientes de la semana. Después hicimos la práctica donde observamos y calculamos la fuerza y/o potencia con la que se expulsaba el vapor del agua con ayuda de un rehilete. El día jueves realizamos otra práctica con la que calculábamos la eficiencia que llegan a tener las máquinas térmicas, es decir, la aplicación de la energía calorífica, en el experimento de Savery.	El dia martes, después de revisar las indagaciones semanales, realizamos una practica donde se fabrico un reguilete para ver la presión del vapor, el cual no dio resultado debido a el tamaño y presión expulsada. El jueves dimos ejemplos sobre maquinas térmicas, para después realizar el experimento de Savery donde  con un matraz con agua y una manguera de ule, hicimos que el agua se transportara de un lugar a otro por medio de vapor :D	El día martes hicimos una práctica donde calculamos y observamos la fuerza del vapor que se expulsaba y comprobar si con esa fuerza podría hacer giros un rehilete. El día jueves hicimos una práctica en donde observamos la eficiencia que tienen las maquinas térmicas.	El día martes revisamos las indagaciones. Construimos un rehilete para calcular la potencia del vapor que era expulsado por un tubo de vidrio. El jueves pusimos ejemplos de máquinas térmicas e hicimos una práctica para calcular la eficiencia de las máquinas térmicas. Viernes: recapitulación J	El día martes hacía frío y revisamos las indagaciones y resolvimos la actividad correspondiente  en la computadora. En la práctica construimos un rehilete y en un matraz Erlenmeyer pusimos agua a calentar y lo tapamos con un tubo de desprendimiento con manguera de hule, para ver como la fuerza del vapor movía el rehilete. El jueves llenamos un matraz con agua y también un vaso de precipitado,  éste, tapado con un tubo de desprendimiento con manguera de hule, la otra parte de la manguera la pusimos en el vaso de precipitado y al calentarse al empezar a hervir el agua del matraz, el agua del matraz pasaba al vaso de precipitado y cuando se enfrió el agua del vaso pasó al matraz. ;D  </tres.