MÁQUINA TÉRMICA Camilo Zúñiga 2146547 Universidad Autónoma de Occidente 19 de mayo, 2016 1. Resumen 2. Introducción 3. Desarrollo Experimental 3.1 Material utilizado Para la realización de la práctica de laboratorio siguientes materiales: se utilizaron los Equipo • Interfaz Science Workshop 850 • Sensor de presión (absoluta) • Agitador con control de temperatura • 2 sensores de temperatura (acero inoxidable) • Magneto grande (recubierto de teflón) • 1 pinza • 1 banco de altura graduable mediano • 1 banco de altura graduable pequeño • 2 Beakers 1000 mL • Agua (800 mL en cada beaker) • 1 juego de pesas • 1 placa de vidrio resistente al calor • Hielo • Sal de cocina El ciclo de la máquina térmica se realizó cambiando los sensores de temperatura y de presión absoluta de un beaker con agua fría a uno con agua caliente y ubicando una masa sobre la plataforma del sistema, la cual fue elevada gracias al trabajo mecánico producido por el cambio de temperatura experimentado por el cilindro de aluminio (conectado a la plataforma y el sensor de presión) sumergido en el agua de los beakers. Dicho ciclo se Figura 1. Ciclo de la máquina térmica observa con mayor detalle en la figura 1. Midiendo los cambios de altura al interior del cilindro de acrílico que contenía la plataforma, fue posible determinar el volumen del mismo, siendo éste el único volumen que variaba de los elementos del sistema (cilindro de acrílico, cilindro de aluminio, mangueras) a lo largo del ciclo, para así determinar un volumen total que se utilizó para la construcción del diagrama PV. Los volúmenes calculados para los cuatro puntos del ciclo, así como las temperaturas y presiones medidas por los sensores en cada uno, se muestran en el siguiente análisis: 4. Análisis y resultados En el laboratorio se midió la presión y el volumen (se tuvo en cuenta el volumen del cilindro de acero, la manguera y magneto ) del sistema de la maquina térmica en los puntos A, B, C, D, A’ que se muestran en la figura (1): Donde los puntos son: Punto A: Recipiente de aluminio en agua fría. Punto B: Recipiente de aluminio en agua fría con masa de 200 gr en la plataforma de la máquina. Punto C: Recipiente de aluminio en agua caliente con masa de 200gr en la plataforma de la máquina. Punto D: Recipiente de aluminio en agua caliente. Punto A’: Recipiente de aluminio en agua fría. El sistema se puede observar claramente mediante la siguiente figura (2): Figura 2. Montaje para la realización de la práctica máquinas térmicas en el laboratorio. A continuación se muestra resumido los datos de presión, temperatura, altura y volumen en los diferentes puntos evaluados. Presión Temperatura canal B Temperatura canal A (°C) (°C) 90200 0,8 96,2 0,18 1,350450000E-4 93200 0,9 95,9 0,09 1,309800000E-4 93200 1,0 95,0 0,69 1,541250000E-4 90200 1,1 95,2 0,76 1,574330000E-4 90200 1,2 95,8 0,19 1,350450000E-4 (Pa) Altura (m) Volumen (m^3) Tabla No.1 Resumen de datos Con el fin de obtener un diagrama p-v se dejaron los datos de volumen y presión del sistema obtenido en la práctica de laboratorio en otra tabla por aparte, como se logra ver a continuación: Tabla No.2 Presión Vs Volumen Grafico No.1 Diagrama de Presión VS Volumen Como se logro evidenciar en el diagrama p-v, el volumen vario a través de los cambios de presión y temperatura, logrando que entre los puntos hallan diferentes procesos, como se explica a continuación: • • • • Punto A - B: Se presenta un proceso adiabático de compresión, ya que no existe una transferencia de calor entre el sistema y el entorno, la temperatura permanece constante y solo existe el trabajo mecánico producido por la masa colocada en la plataforma. Punto B – C: Se presenta un proceso isobárico de expansión, debido a que hay transferencia de calor entre el sistema y el entorno por la diferencia de temperaturas, a esto sumándole que la masa sigue realizando un trabajo mecánico sobre el sistema, a una presión constante y una incrementación de volumen. Punto C - D : Se presenta un proceso adiabático de expansión, debido a que el sensor se mantuvo dentro del agua caliente la temperatura se mantuvo constante, por lo cual no hubo transferencia de calor entre el entorno y el sistema. Punto D – A*: Se presenta un proceso isobárico, ya que hubo transferencia de calor entre el sistema y el entorno. Así mismo se determino la altura a la cual se elevo la masa durante la transición de B – C la cual se hallo mediante la siguiente diferencia entre la altura en b menos la altura en c dando como resultado 0,60m, como se muestra a continuación: ∆� = � − � (1) ∆� = 0,69 − 0,9 Además de que en este punto se presente un proceso isobárico de expansión, llevo a que en dicha transición, el trabajo mecánico sobre el sistema sea positivo como se logro evidencias de la siguiente manera: � = � �� − �� (2) = 93200 0,000154125 − 0,00013098 = 2,1571 � Dando como resultado un trabajo mecánico de 2,1571 � para elevar la masa del punto b al c, con una altura de 0,60m. Por otro lado el área arrojada con la ayuda del programa es de 0,07J, lo que significa que dicha área, presenta el trabajo total experimental del sistema. Ahora bien, para lograr saber qué porcentaje de error se obtuvo, se realizo los demás trabajos que se ven en cada punto del sistema, así: Punto a-b � = � � − �� �� −� + 1 = �= 1 � � = 1,4 ( � 93200(0,00013098) − 902000(0,000135045) −1,4 + 1 � ) = −0,06569 � Punto c-d � = � � − �� �� −� + 1 = � = 1,4 1 � � � 90200(0,000157433) − 93200(0,000154125) −1,4 + 1 � = 0,40998 � Punto d- a* � ′ = � �� − �� (2) = 90200(0,000135045 − 0,000157433) ′ = −2,0194 � A través de esto trabajos calculados teóricamente se puede hallar el valor del trabajo total por medio de la ecuación (3): � � = + + + ´ (3) = −0,06569 + 2,1571 + 0,40998 − 2,019398 �� = �, �� � Obteniendo dichos cálculos, se prosigue a obtener el error, el cual fue de 85,42%, cómo se muestra a continuación: % = 0,48 − 0,07 ∗ 100 = 85,42% 0,48 5. Discusión • 6. Conclusiones 7. Referencias • H. D. Young, R. A. Freedman, F. W. Sears, M. W. Zemansky. Física Universitaria, volumen 1. Décimo segunda edición, Pearson Educación, México, 2009, sección: 20 pg: 673-701. • Serway, Raymond A. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1, Séptima edición. Ed. Mc. Graw Hill, sección: 22 pg: 612-632.