I. INTRODUCCIÓN.
Todos los motores
termodinámicos funcionan con ciclos de calor, llamados con mayor propiedad
ciclos termodinámicos. Cada uno de estos ciclos tiene un nombre. Los motores termodinámicos
se clasifican en endotérmicos (combustión interna) y exotérmicos (combustión externa).
Como ejemplo de motores de combustión interna son los que se usan en los autos,
estos funcionan con el ciclo Otto, los camiones, trenes y barcos con el ciclo
Diesel, las plantas de poder frecuentemente funcionan con el Ranking, mientras
que las turbinas de gas funcionan con el ciclo Brayton. En los motores de
combustión externa destaca uno en especial el motor Stirling cuyo ciclo fue
entre los primeros de los ciclos termodinámicos en ser operados por los
ingenieros. [1]
II. OBJETIVOS
- Fabricar un mecanismo que permita generar trabajo a partir de calor.
- Aplicar la Segunda Ley de la Termodinámica fabricando un motor Stirling casero
III. ASPECTOS TEÓRICOS
La segunda ley de la
termodinámica o segundo principio de la termodinámica expresa, en una forma
concisa, que "La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado
termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo". Más
sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra
parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un
equilibrio térmico. [2]
Ciclo
de Carnot
El ciclo de motor térmico más
eficiente es el ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos
procesos adiabáticos. El ciclo de Carnot se puede considerar como, el ciclo de
motor térmico más eficiente permitido por las leyes físicas. Mientras que la
segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor suministrado a un
motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la eficiencia de Carnot
establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar.
Con el fin de acercarse a la
eficiencia de Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de
calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto
significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de
motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicos reales
implican un cierto aumento de la entropía.[3]
Motor
de Stirling.
Maquina Stirling es un
dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa, a través de un ciclo
termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de
trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y
la del foco frío.
En el motor Stirling un gas está
confinado en una cámara cerrada, no sale al ambiente. El gas se desplaza de un
extremo a otro de la cámara, cuando está en un extremo, una fuente de calor
externa lo calienta; esto hace que se expanda y así se produce la fuerza del
motor. Una vez que alcanza su máxima expansión, el gas se traslada al otro
extremo de la cámara, donde se enfría, lo que provoca que se comprima. Después
se lleva nuevamente al extremo caliente para iniciar un nuevo ciclo.
Un tambor desplazador mueve el
gas entre los dos extremos de la cámara y otro dispositivo, el pistón de
potencia, aprovecha la expansión para producir la fuerza del motor. La
modelizacion del ciclo termodinámico del motor Stirling siempre parte de la
base de que las evoluciones asociadas a la variación de volumen se realiza de
modo isotérmico, de modo que durante la expansión se produce la introducción de
calor del ciclo y durante la compresión se produce la extracción.
Fig1.
Motor de Stirling. [4]
Estudio
termodinámico del motor de Stirling.
El ciclo ideal Stirling se
compone de dos procesos isotérmicos y dos isométricos, la regeneración se
efectúa a volumen constante, tal como se muestra en la figura2.
Fig2.
Ciclo ideal de Stirling.
- Proceso 1-2, cuando el pistón pasa del estado 1 al 2, se realiza una compresión isotérmica a la temperatura más baja. El proceso está representado en el diagrama anterior. Aquí se le extrae calor al ciclo.
Fig3.
Compresión isotérmica (proceso 1-2)
- Proceso 2-3, si se mantiene fijo el pistón y se mueve el desplazado, se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, obteniendo un proceso isométrico en el que aumenta la presión sin cambiar el volumen. Aquí el regenerador entrega calor a la sustancia de trabajo, elevando su temperatura de Tmin a Tmax.
Fig4.
Suministro de calor a volumen constante (proceso 2-3)
- Proceso 3-4, en este momento, se puede obtener una expansión isotérmica a la temperatura superior haciendo bajar juntos al pistón y al desplazado. En este proceso se le entrega calor externo a la sustancia de trabajo.
Fig5.
Expansión isotérmica (proceso 3-4)
- Proceso 4-1, moviendo el desplazador al estado inicial, se obtendrá otro proceso isométrico que finalizara el ciclo termodinámico representado por el proceso 1-4. Aquí el regenerador absorbe calor.
Fig6.
Extracción de calor a volumen constante (proceso 4-1). [6]
Ley
de Charles - Gay Lussac (gases ideales)
Es una
de las leyes de los gases ideales. Relaciona el volumen y la temperatura de una
cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una
constante de proporcionalidad directa. En esta ley, Charles dice que a una
presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al
disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye.
V1 /
T1 = V2 / T2
(Para
P constante)
Por
otra parte si el volumen es constante, el cociente entre la presión y la
temperatura es constante:
P1 /
T1 = P2 / T2
(para
V constante) [5]
IV. METODOLOGÍA
Para la construcción del motor
Stirling casero se emplearon los siguientes
Materiales
- Una jeringa de vidrio 3ml.
- Un tubo de ensayo de 15cm.
- Un mechero con alcohol.
- Manguera de pecera.
- 3 Canicas, que quepan en el interior del tubo de ensayo.
- Alambre
- Ligas de caucho
- Tabla de madera para la base con soportes para poner el tubo de ensayo.
- Corcho de goma con agujero para que pase la manguera.
Elaboración.
- Cortar la madera para la base con medidas y de unos 30 cm aproximadamente de largo y 13 de ancho.
- Cortar dos palos de trupan de 15 cm y, con un taladro hacerle un agujero a cada uno con 2 cm separado del borde de la tabla.
- Hacerle un agujero al corcho de goma para que pase la manguera de pecera.
- Con el alambre hacerle una curva donde se pueda unir al tubo de ensayo y adherir con la liga de caucho, para que sirvan de eje de rotación para el tubo de ensayo. como se muestra en la figura.
- Pasar el alambre por los huecos de la tabla de soporte donde se va apoyar el tubo de ensayo.
- Poner las 5 canicas al tubo de ensayo y cerrarlo con el corcho, luego, y unir la manguera de pecera a la jeringa (sin aire en su interior).
- El tubo de ensayo se posará sobre la jeringa, pero a causa del movimiento éste se desliza hacia los costados, para solucionar ese problema haz un "soporte" con la masilla o una goma, para que el tubo no tenga un desplazamiento horizontal. [6]
V. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
El motor seguirá funcionando
mientras tenga la fuente de calor en uno de sus extremos, haciendo diferencia
de temperatura en el tubo de ensayo, que permite el desplazamiento de las
canicas y el aire que están dentro del tubo, cuando el tubo se enfrié y quede a
la misma temperatura en ambos extremos, el motor se detendrá. El movimiento del
motor sucede gracias a que el aire dentro del tubo se calienta, haciendo que su
volumen crezca por la ley de los gases, gracias a la fuente de calor, el aire
se calienta y se expande, empujando el embolo de la jeringa, generando
movimiento, de igual las canicas se trasladan a la parte "caliente"
del tubo de ensayo, desplazando el aire que se encontraba en esa zona, hacia la
parte "fría" del tubo, este aire al llegar a esa parte
"fría" baja su temperatura donde se contrae y reduce el volumen,
regresando la jeringa a su posición inicial, donde también las canicas se
mueven a la parte "fría" pasando el aire al punto caliente donde se
vuelve a expandir y así sucesivamente. El volumen del aire, varia
constantemente, debido a los cambios de temperatura en cada extremo del tubo,
donde el aire está a presión constante, aplicando también lo que dice el Ciclo
ideal de Stirling, de igual manera también aplica la segunda ley de la
termodinámica, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra
parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un
equilibrio térmico.
VI. CONCLUSIONES.
- La jeringa del motor, tiene que estar a un angulo de 60° de inclinación, a un angulo menos o más de este no genera trabajo.
- Por cada ml que tiene la jeringa se pone una canica en el tubo de ensayo, no funciona si se tiene una jeringa de 3ml con 5 canicas.
- el fluido de trabajo opera en un ciclo cerrado y la fuente de calor es externa. Esto hace que este motor sea, potencialmente, de muy bajo nivel de emisiones.
- Al utilizar una fuente de calor externa, se puede utilizar como fuente de calor la energía nuclear, solar, combustibles fósiles, calor de desechos de procesos industriales.
VII. REFERENCIAS
[2]https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2012/01/tema-iii-segunda-ley-de-la-termodinamica.pdf
muy creativo y genial para intentarlo. (Y)
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