Máquinas Térmicas

Universidad Autónoma de Occidente
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento de Física
Máquinas Térmicas1
Objetivo

Estudiar un diagrama P-V para un ciclo de una máquina térmica y encontrar el trabajo termodinámico útil
realizado por dicha máquina.
Fundamentación
La base de nuestra sociedad tecnológica es la capacidad de usar fuentes de energía distintas de la potencia muscular.
Casi toda la energía de la que disponemos proviene de quemar combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y de
reacciones nucleares. El producto es energía que se transfiere como calor y se puede usar de manera directa o se
convierte en energía mecánica.
Por lo tanto, es importante saber cómo tomar calor de una fuente y convertir tanto de él como sea posible en energía
mecánica o trabajo.
Una máquina térmica es un dispositivo cíclico cuyo propósito es convertir la máxima cantidad posible de calor en
trabajo útil. Todas ellas contienen una sustancia de trabajo que absorbe una cantidad de calor, realiza el trabajo y cede el
calor cuando vuelve a su estado inicial.
En esta práctica verificará experimentalmente que el trabajo mecánico útil realizado al elevar una masa m a lo largo
de una distancia vertical y, es igual al trabajo termodinámico realizado durante un ciclo, determinado por el área
encerrada en un diagrama P-V (figura 1). Aunque esto puede ser demostrado matemáticamente, la verificación
experimental permitirá familiarizarse con la operación de una máquina térmica real.
Figura 1
Preinforme
Para la realización de esta práctica es imprescindible que tenga un conocimiento básico sobre algunos aspectos. El instructor
evaluará este conocimiento solicitando un pre-informe (individual o grupal) o a través de una prueba corta antes de iniciar la
sesión de laboratorio.
1. El diagrama P-V de la figura 2 representa un ciclo de una máquina térmica que usa 3 moles de un gas ideal
monoatómico como sustancia de trabajo. El gas está inicialmente en el punto A. Los pasos de expansión (BC) y
compresión (DA) son adiabáticos.
1
Adaptado de PASCO Scientific, Instruction Manual and Experiment Guide for the Heat Engine-Gas Law Apparatus.
Máquinas Térmicas
Profesor: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico C.
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Figura 2
a) Calcule Q, W y U para cada uno de los procesos del ciclo.
b) Calcule el trabajo neto efectuado por el gas en el ciclo.
c) Calcule el flujo neto de calor hacia la máquina en un ciclo.
2. Predicción del Ciclo de una Máquina Térmica.
A su grupo de trabajo se le ha encargado que realice pruebas para desarrollar una máquina térmica que eleva
manzanas desde una banda sinfín hacia otra que se encuentra un poco más elevada.
El dispositivo con el que experimentará es una máquina térmica real que funciona a través de un ciclo de cuatro tiempos
de expansión-compresión, y que puede realizar trabajo mecánico elevando pequeñas masas de una altura a otra.
Figura 3
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La máquina térmica consiste en un cilindro hueco con un pistón de grafito que puede moverse a lo largo del eje
del cilindro con muy baja fricción. El pistón está conectado a una plataforma donde pueden ponerse masas. Una
tubería corta y flexible une el cilindro a una cámara de aire (un pequeño recipiente de aluminio sellado con un
tapón de caucho) que puede ponerse en forma alternada entre un recipiente de agua fría y otro de agua caliente.
Lea en el procedimiento de la guía el ciclo de la máquina térmica y realice predicciones cualitativas sobre lo que
observará en el laboratorio durante los procesos. Use como base para sus predicciones las siguientes preguntas:
a) Se sospecha que los procesos ab y cd son aproximadamente adiabáticos. Explique por qué.
b) Se espera que los procesos bc y da sean isobáricos. Explique por qué.
Equipo Requerido

Interfaz ScienceWorkshop

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
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Procedimiento
Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor
1. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.
2. Conecte el sensor de presión (absoluta) y los de temperatura (acero inoxidable) en los canales analógicos de la
interfaz.
3. Ejecute el programa DataStudio.
4. Instale los sensores, seleccionando en todos una velocidad de muestreo de 10 Hz. En el sensor de presión
indique sensibilidad media (10x).
5. En esta práctica, el usuario realizará una observación constante de las medidas. Para este tipo de medición,
seleccione Medidores digitales. Destine uno de los medidores al control de la temperatura del agua caliente, otro al
de la temperatura del agua fría y finalmente observe la presión en otro medidor digital.
Figura 4
6. Organice las ventanas para que pueda observar simultáneamente todas las medidas digitales (Figura 4).
Parte II. Configuración del equipo y toma de datos
1. Verifique que el tapón de caucho de la cámara de aire tenga dos conexiones: una hacia el cilindro y otra hacia el sensor de
presión.
2. Vierta en cada beaker 800 mL de agua.
3. Deposite con suavidad el magneto en el interior del beaker que se pondrá en el agitador con control de
temperatura. Use una velocidad de agitación 1 ó 2, para evitar la formación de vórtices. Ponga a calentar el agua hasta
llevarla a su temperatura de ebullición. Para hacer más rápido el calentamiento coloque la placa de vidrio sobre el beaker.
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4. Use los cubos de hielo para enfriar el agua en el beaker del foco frío y riegue bastante sal sobre el mismo. Use el sensor
de temperatura para agitar el agua y tener un valor homogéneo en todo su volumen. Verifique la temperatura de la
mezcla y asegúrese que ésta alcance su menor valor
5. El ciclo de la máquina térmica es mucho más fácil de describir si se inicia con el pistón descansando un poco por
encima de la base del cilindro. Por esa razón, se sugiere elevar el pistón unos centímetros antes de insertar
firmemente el tapón de caucho en el recipiente de aluminio. 30 mm es una altura adecuada (Figura 5a).
Figura 5a
Figura 5b
6. Cierre firmemente la cámara de aire con el tapón de caucho. Es probable que varíe ligeramente la altura del
pistón. Tome nota de la nueva altura. Use la pinza para sujetar más fácilmente el recipiente.
7. Ahora que el sistema se encuentra aislado del aire exterior introduzca el recipiente de aluminio en el beaker con
agua fría (Figura 5b). ¿Qué le ocurre a la altura del pistón?
8. Para cada uno de los procesos tome nota de las temperaturas en los beakers, la altura del pistón y la presión del aire
en el sistema.
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a) Transición ab. Estando el recipiente de aluminio en el foco frío se coloca la masa sobre la plataforma. El
aire se fuga lentamente del cilindro. ¿Qué ocurre cuando se adiciona la masa a la plataforma? Si se intenta
elevar una masa grande, la tasa de fuga del aire en el cilindro se incrementa, por lo que se sugiere que se
limite la masa a valores entre 100 g y 200 g.
b) Transición bc. Lleve el recipiente de aluminio al beaker con agua hirviendo manteniendo la masa sobre la
plataforma. Describa lo que le ocurre al pistón.
c) Transición cd. Mantenga el recipiente en el beaker con agua caliente y retire la masa de la plataforma.
Describa lo que ocurre en ese momento.
d) Transición da. Ahora es el momento de cerrar el ciclo enfriando de nuevo el sistema a su temperatura
original por un minuto o dos. Ponga el recipiente en el beaker con agua fría y describa lo que ocurre al volumen
del aire atrapado. En particular, ¿cómo es el volumen de gas comparado con el volumen de aire atrapado al
inicio del ciclo? ¿Es el mismo o algo de aire se ha fugado? [Nota: llamaremos a’ al punto final si no coincide
con el punto inicial a]
9. Repita el ciclo para la misma masa anterior.
10. Opcional. Repita el ciclo para una nueva masa.
Análisis
No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para
desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.
1. Realice los cálculos necesarios para encontrar la presión y el volumen del sistema en los puntos a, b, c, d, a’ del ciclo a
partir de las medidas realizadas. No olvide tener en cuenta que el volumen de aire en la tubería y en el recipiente de
aluminio.
2. En una Nueva Tabla de datos vacía introduzca los datos de volumen y presión. Con ellos dibuje el diagrama P-V
para cada ciclo.
3. En el diagrama P-V obtenido para el ciclo, indique los puntos a, b, c, d, a’. En el mismo gráfico indique los tipos de
procesos que se dan entre los estados indicados..
4. ¿Cuál fue la altura que se elevó la masa durante la transición b c? Obtenga el trabajo mecánico necesario para elevar la
masa del punto b al c.
5. Proponga un método y úselo para determinar de manera precisa el área encerrada por el diagrama P-V. Sugerencia: Un
método posible consiste en usar la herramienta de cálculo de área del programa DataStudio.
6. Compare el trabajo mecánico útil producido por la máquina térmica con el calculado en el numeral 3.
Bibliografía
Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2.
Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.
Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 2. Reverté, Barcelona, 2005.
Máquinas Térmicas
Profesor: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico C.