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Energía térmica y energía cinética rotacional
Teodoro Juan Cano Miguel
Plantel No. 9 “Pedro de Alba”
Tema: Experimentos con enfoque ciencia, tecnología, sociedad y su relación
con: ambiente, innovación y reciclado
RESUMEN
Se evalúa la energía cinética rotacional de una pequeña turbina en cuyas
aspas incide el vapor procedente de una caldera. Inicialmente se evalúa la
energía térmica cedida a una cierta cantidad de agua que se encuentra a la
temperatura ambiente y presión atmosférica correspondiente a la altura de la
ciudad de México. Una vez evaluada la energía térmica transferida al agua
para que cambie su temperatura de 20 0C a 1400C y la presión aumente de 80
kPa a 1.2 MPa, se determina la entalpía del vapor en la salida de la caldera y
luego la energía con la que incide en las aspas de la turbina. Finalmente se
mide el período de rotación de la turbina mediante el uso de un sensor del
software Vernier con lo que se posibilita determinar la energía cinética
rotacional. Conocida esta última energía y la que se suministra por el vapor se
estima la eficiencia de la turbina.
Para efectuar el análisis del funcionamiento del dispositivo propuesto se aplican
los conceptos y principios de la mecánica y la termodinámica.
Con la propuesta que aquí se presenta se muestra la vinculación de la teoría
tratada en clase con el funcionamiento de los diversos dispositivos y aparatos
utilizados para satisfacer las necesidades del ser humano, en particular se
muestra el funcionamiento de las grandes centrales termoeléctricas.
INTRODUCCIÓN
De acuerdo a las previsiones de la agencia Internacional de Energía (AIE), el
gas, el carbón y el petróleo cubrirán el 88% de la demanda mundial para el
20301. Además se pronostica que para el mismo año las emisiones de CO 2 se
incrementarán en un 55% con respecto a las del 20042. Esta información
resulta indispensable para los alumnos de bachillerato, quienes deben tener
presente que sólo la aplicación de los conocimientos adquiridos en el aula
permitirá efectuar el análisis termodinámico del funcionamiento de las plantas
generadoras de energía y de otras plantas industriales para lograr revertir las
tendencias anteriores.
Todo país que quiera mantenerse con industrias competitivas, y aceptable nivel
tecnológico, ha de potenciar el nivel de calidad de la enseñanza de las ciencias
en todos lo niveles, lo que no implica el abandono de la formación humanística,
que es absolutamente necesaria para crear ciudadanos libres y socialmente
responsables.
Centrales termoeléctricas
El principio de funcionamiento de una central térmica o termoeléctrica se basa
en la transformación química de un combustible en energía calorífica, esta
última cambia a energía mecánica y finalmente se obtiene energía eléctrica
(ver fig. 1). En una caldera, el combustible reacciona con aire generando
energía térmica la que se emplea para vaporizar agua hasta alcanzar valores
altos de temperatura y presión, el vapor se aplica sobre los álabes de una
1
2
AIE, Annual Energy, Outlook, 2006, Energy Demand, p. 65, Internet
AIE, Annual Energy, Outlook, 2006, Carbon Dioxide Emissions, Fig. 108, p. 103, Internet
turbina que convierte la energía potencial (presión) en energía cinética y
acciona un generador eléctrico, de donde se obtiene la energía eléctrica.
El gas utilizado como combustible es el gas L.P. ( Gas licuado del petróleo). Es
un hidrocarburo derivado del petróleo y está compuesto por los gases butano y
propano. Este gas se almacena en estado líquido en condiciones de presión
OBJETIVOS
El objetivo básico del presente trabajo es diseñar y construir un dispositivo que
muestre los cambios de energía que se producen en las grandes centrales
termoeléctricas
El esquema del montaje experimental se muestra en la figura
Evaluación de la energía
Se evalúa la energía térmica que se transmite al fluido de trabajo para
vaporizarla, encontrándose que 3 litros de agua tardan 15 minutos en
vaporizarse totalmente. Considerando que el agua de alimentación se
encuentra a 20 ºC y una presión aproximada de 0.1 MPa y que el vapor en la
salida se encuentra a 140 ºC en condiciones de vapor saturado, en la tabla A.5
de la referencia (Bughardt, 1984) se obtiene que las entalpías específicas
correspondientes
a la temperatura y presión indicadas es de 635 kJ/kg.
Considerando que durante el tiempo en el que el vapor acciona a la turbina se
emplean 1 kg de líquido, se encuentra que la energía suministrada por el vapor
es de 635 kJ. Considerando que el tiempo de funcionamiento fue de 10
minutos. La potencia del vapor que incide en la turbina es de 635000 J/600 s =
1058 W.
Utilizando un sensor llamado photogate del el software Vernier se midió el
período de la rotación de la turbina se obtuvo un resultado de 0.001 s, lo que
significa que la frecuencia es de 1000 Hz. Con este último dato se obtiene la
velocidad angular , obteniéndose que
 = 2(1000 Hz) = 6283.2 rad/s
Por otra parte el momento de inercia de la turbina se encuentra aplicando la
relación I = ½ mr2. En nuestro caso m = 110.8 g = 0.1108 kg y r = 6.35 cm =
0.0635 m. Resulta que
I = ½(0.1108 kg)(0.0635 m)2 = 2.234 x 10-4 kg m2
Conocidas la velocidad angular y el momento de inercia de la turbina se puede
calcular la energía cinética rotacional de la misma, utilizando: Ecr= ½ I ω2. Se
obtiene que
Ecr= ½ (2.234 x 10-4 kg m2)(6283.2 rad/s)2 = 4409.76 J
Considerando que el tiempo en que se mantuvo funcionando la turbine fue de
10 min, se obtiene que la potencia es 4409.76 J/600 s = 7.35 watts.
CONCLUSIONES
La actividad experimental para mostrar los procesos físicos y asociar la teoría
con las observaciones directas de estos procesos, permitirán que el estudiante
cambie su opinión acerca de que la física es una disciplina demasiado
abstracta y difícil. Por otra parte al observar la importancia de la aplicación de
los conceptos físicos para impulsar el desarrollo tecnológico y satisfacer las
necesidades de la humanidad, como es el caso de la generación de energía
eléctrica, su interés por el estudio de esta disciplina puede incrementarse, lo
que se debe tener como objetivo en los y planes y programas de estudio de
toda institución educativa
REFERENCIAS
[1] Wilson Jerry D ( 1996). FÍSICA, Segunda edición. Prentice Hall
Hispanoamericana, S. A. México.
[1] Burghardt M. David (1984). Ingeniería termodinámica, Segunda edición.
HARLA, México.
INTERNET
http://html.rincondelvago.com/centrales-termoelectricas.html.
Disponible 23/03/2007
http://www.cfe.gob.mx/es/LaEmpresa/generacionelectricidad/termoelectri
ca/. Disponible 1/04/2007
http://www.lacoctelera.com/myfiles/tamaulipas-ahora/miercoles28.doc.
Disponible 16/03/2007.