Máquinas térmicas y eficiencia de máquinas ideales y reales

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... 

Recuerda que 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 o medio frío.... 

Ahora, profundizando un poco más, sabemos que 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.

BIBLIOGRAFIA

Primera ley de la termodinámica

El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica,^[1] se postula a partir del siguiente hecho experimental:

En un sistema cerrado adiabático (aislado) que evoluciona de un estado inicial a otro estado final , el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.

Más formalmente, este principio se descompone en dos partes;

• El «principio de la accesibilidad adiabática»
  El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinámico cerrado es, adiabáticamente, un conjunto simplemente conexo.
• y un «principio de conservación de la energía»:
  El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energía interna.
Se define entonces la energía interna, U,como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:

Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:

Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica:

La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.

En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:

donde:

es la variación de energía del sistema,

es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y

es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.

􀂃 Cambios de energía interna por calor y trabajo.

Energía interna

En física, la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:

• la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de
• la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.^[1]

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Todo cuerpo posee una energía acumulada en su interior equivalente a la energía cinética interna más la energía potencial interna.

Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración), y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares).

• En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus moléculas.
• En un gas ideal poliatómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.
• En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares.

Desde el punto de vista de la termodinámica, en un sistema cerrado (o sea, de paredes impermeables), la variación total de energía interna es igual a la suma de las cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y de trabajo ΔU = Q − W. Aunque el calor transmitido depende del proceso en cuestión, la variación de energía interna es independiente del proceso, sólo depende del estado inicial y final, por lo que se dice que es una función de estado. Del mismo modo dU es una diferencial exacta, a diferencia de , que depende del proceso.
En termodinámica calor y trabajo se definen como energías en tránsito.^[1]
Se define el calor (Q) como la forma de energía que atraviesa las fronteras de un sistema debido a una diferencia de temperatura, por conducción o por radiación.^[1]
En tanto que el trabajo (W) que un sistema intercambia con su medio ambiente está asociado siempre con la acción de fuerzas en movimiento. Puesto que es una energía en tránsito, un sistema nunca contendrá trabajo sino que será capaz de realizarlo o de recibirlo, en un intercambio de energía con los alrededores, que podrán ser otro sistema o su medio ambiente.

􀂃 Aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación.

Material: Sistema de calentamiento, placas de metal, parafina, matraz erlenmeyerm aserrín, lámpara, radiómetro.

Procedimiento:

-          Colocar  en la placa de metal una  muestra de para fina, colocar la placa de metal sobre la tela de alambre con asbesto y calentar lentamente medir el tiempo de cambio de estado de la parafina.

-         - colocar 100 ml de agua en el matraz erlenmeyer, adicionar una muestra de aserrín, colocar el matraz erlenmeyer sobre la malla de alambre y calentar tomar la temperatura cada minuto hasta evaporación(graficar tiempo-temperatura), observar lo que ocurre con el aserrín.

-         - colocar el radiómetro sobre la mesa y enfocar la luz de la lámpara a la parte oscura del radiómetro, medir el numero de vueltas por minuto.

Conversión de trabajo en calor

Conversión de trabajo en calor.

MATERIAL:

Cautín, madera, metal, piedra, taladro con broca, termómetro.

PROCEDIMIENTO:

A.- Colocar la broca al taladro y aplicar durante dos minutos la acción de taladrar a la madera, el metal y la piedra.

B.-Medir la temperatura después de los dos minutos en cada caso.

C.-Dibujar sobre la madera un motivo para grabarlo con el cautín.

Equipo	Temperatura madera	Metal	Piedra
1	100C	190C	170C
2	160C	190C	180C
3	170 C	19 0C	160 C
4	150C	190C	170C
5	180C	190C	170C
6	18OC	190C	18.50C

Graficar los datos para cada material (equipo-temperatura).

Conclusiones:…….

Las temperaturas de cada material dependen de la energía que un objeto emita.

Una vez clasificados los elementos se sugiere hacer preguntas como las

Siguientes:

 ¿Por qué unos elementos son metálicos y otros no metálicos?,

¿Cómo la estructura de los átomos de los elementos nos permite explicar lo anterior?

 Investigación bibliográfica sobre el descubrimiento del electrón, protón y neutrón y sobre los modelos atómicos de Thomson, de Rutherford y de Bohr.

(A20)

Durante los siglos VI a IV antes de Cristo, en las ciudades griegas surgió una nueva mentalidad, una nueva forma de ver el mundo no como algo controlado por los dioses y manejado a su capricho, sino como una inmensa máquina gobernada por una leyes fijas e inmutables que el hombre podía llegar a comprender. Fue esta corriente de pensamiento la que puso las bases de la matemática y las ciencias experimentales. Demócrito, uno de estos pensadores griego, en al siglo IV antes de Cristo, se interrogó sobre la divisibilidad de la materia. A simple vista las sustancias son continuas y se pueden dividir. ¿Es posible dividir una sustancia indefinidamente? Demócrito pensaba que no, que llegaba un momento en que se obtenían unas partículas que no podían ser divididas más; a esas partículas las denominó átomos, que en griego significa indivisible. Cada elemento tenía un átomo con unas propiedades y forma específicas, distintas de las de los átomos de los otros elementos.

De todos los dioses Hefesto era el único que trabajaba,  su labor constante en la fragua y el yunque, forjando utensilios, armas, autómatas e incluso los rayos de Zeus, hizo que fuera el dios de la técnica y con ella de la civilización.

Las ideas de Demócrito, sin estar olvidadas completamente, cayeron en desuso durante más de dos mil años.

Mientras tanto, se desarrolló la química, se descubrieron nuevos elementos y se descubrieron las leyes que gobiernan las transformaciones químicas.

Precisamente para explicar algunas de estas leyes, las leyes ponderales, Equipo divisiones 1 15 2 16 3 18 4 18 5 18 6 15  Dalton, en 1808 propuso una nueva teoría atómica. Según esta teoría, los elementos estaban formados por átomos, indivisibles e indestructibles, todos iguales entre sí, pero distintos de los átomos de los otros elementos. la unión de los átomos daba lugar a la variedad de sustancias conocidas y la ruptura de las uniones entre los átomos para formar nuevas uniones era el origen de las transformaciones químicas.

Símbolos convencionales propuestos por Dalton

Pila de Volta

Cuando en 1800 el italiano Volta descubrió la pila eléctrica, los químicos tuvieron una fuente continua de electricidad y se descubrieron muchos nuevos elementos gracias a ella. También se descubrió que algunas sustancias, como la sal, al disolverse en agua, podían transmitir la electricidad, mientras que otras, como el azúcar, no lo hacían. El físico y químico inglés Faraday, en la primera mitad del siglo XIX, estableció las leyes de la electroquímica, poniendo en relación cuantitativa algunas transformaciones químicas y la electricidad e intentó hacer pasar electricidad a través del vacío (lo que demostraría la existencia de partículas de electricidad), fracasando al no lograr un vacío lo bastante perfecto. A finales del siglo XIX Crookes obtuvo un vacío suficiente, observó que al someter en el vacío unas placas metálicas a una gran diferencia de potencial, unas partículas, con carga negativa, que se llamaron electrones, abandonaban la placa cargada negativamente y se movían hacia la que tenía carga positiva. Esas mismas partículas aparecían si se iluminaba un metal con luz ultravioleta. Estaba claro que sólo podían proceder de los átomos del metal, así que el átomo no era indivisible, estaba formado por partículas.

El físico inglés Thomson creyó que el átomo estaba formado por una esfera de carga positiva en la que se engastaban, como pasas en un pastel, los electrones. pero su propio discípulo Rutherford, descubrió que no podía ser así, que  toda la la carga positiva del átomo y casi toda su masa se encontraba en un reducido espacio, el núcleo atómico, mientras que su carga negativa de electrones estaban muy lejos de él, girando a su alrededor, de forma que la mayor parte del átomo estaba vacío (a escala, si el átomo tuviera el tamaño de una plaza de toros, el núcleo tendría el tamaño de un grano de arena). Posteriores investigaciones determinaron que el núcleo atómico estaba formado por dos tipos de partículas, los protones, de carga positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica.

Átomo de Thomson Átomo de Rutherford

En 1860, los físicos alemanes Bunsen y Kirchhoff descubrieron que cada átomo, sin importar su estado, al ser calentado emite una luz de colores característica, los espectros atómicos. Gracias a su invención, se descubrió el elemento Helio, que se emplea en los globos, en el Sol, antes de sospecharse su existencia en la Tierra.

El físico danés Bohr, en 1913, explicó la existencia de los espectros atómicos suponiendo que los electrones no giran en torno al núcleo atómico en cualquier forma, sino que las órbitas de los electrones están cuantizadas mediante 3 números:

el número cuántico principal, n, que determina la distancia al núcleo, el radio de la órbita; el número cuántico azimutal, l, que determina la excentricidad de la órbita; y el número cuántico magnético, m, que determina su orientación en el espacio. Con posterioridad se añadió un cuarto número cuántico, el número cuántico de spín, s, que indica la rotación del electrón sobre si mismo.

Un átomo emitía o absorbía luz cuando un electrón pasaba de una órbita a otra Y no podían existir dos electrones en el mismo átomo, con los cuatro números cuánticos iguales.

Ya en la década de 1920 se propuso, gracias a los esfuerzos de Schrödinger, Heisenberg y el propio Bohr, la teoría de la mecánica cuántica, que da explicación del comportamiento de los electrones y átomos individualmente, en compuestos y en las transformaciones químicas...

Modelo Atómico de Dalton:

Elaborar un cubo de tres por tres centímetros, colocar dentro del cubo las esferas solidas (atomos.

 

Equipo	Tamaño de la esfera	numero
1	grande	4
2	grande	2
3	pequeña	45
4	grandes	4
5	Pequeña	55
6	pequeña	45

División del aire en sus componentes:

Material: Tubo de ensaye de 20 x 200 mm, vaso de precipitados de 250 ml., o cuba hidroneumática

Sustancias: velas, cerillos

Procedimiento: -

Colocar la vela dentro del vaso de precipitados, (fijar con la parafina al fondo del vaso.

-Colocar tres centímetro de altura de agua

-encender la vela

- cubrir la vela  con el tubo de enraye y observar los cambios ocurridos.