Informe de Maqueta - Termodinámica - Experiencia Máquina Stirling

INFORME DE EXPERIENCIA DE MAQUETA DE TERMODINÁMICA:
MOTOR STIRLING
Ramo: Termodinámica
Estudiantes: Alejandro Dinamarca
Docente: Paola Mamani
Fecha de entrega: 08/02/20
ÍNDICE
ÍNDICE ..................................................................................................................................................... 2
0.
INTRODUCCIÓN................................................................................................................................ 3
1.
OBJETIVOS. ...................................................................................................................................... 4
1.1
Objetivo General ...................................................................................................................... 4
1.2
Objetivo específico ................................................................................................................... 4
2.
MARCO TEÓRICO.............................................................................................................................. 5
2.1 Termodinámica .............................................................................................................................. 5
2.2
Ley cero de la Termodinámica .................................................................................................. 5
2.3
Energía interna ......................................................................................................................... 5
2.4
Primera ley de la Termodinámica .............................................................................................. 6
2.5
Segunda ley de la Termodinámica ............................................................................................. 6
2.6
Eficiencia térmica ..................................................................................................................... 7
2.7
Entropía.................................................................................................................................... 7
2.8
Tercera ley de la Termodinámica .............................................................................................. 8
2.9
Contexto histórico e importancia del motor Stirling .................................................................. 9
2.10
Tipos de motor Stirling............................................................................................................ 10
2.11
Particularidades de un motor Stirling ...................................................................................... 11
2.12
Procesos termodinámicos ....................................................................................................... 12
2.13
Máquina térmica .................................................................................................................... 13
2.14
Ciclo Stirling ............................................................................................................................ 14
3. MATERIALES, CONSTRUCCIÓN, FUNCIONAMIENTO Y LEYES DE LA TERMODINÁMICA ......................... 15
3.1 Materiales .................................................................................................................................... 15
3.2 Introducción a la maqueta: construcción ...................................................................................... 16
3.3 Funcionamiento de la maqueta .................................................................................................... 25
3.4
4.
Leyes de la Termodinámica..................................................................................................... 28
Conclusión.................................................................................................................................. 31
2
0. INTRODUCCIÓN
La termodinámica según el libro Cengel es “una materia excitante”, y en efecto, lo es. Esta estudia las
variadas manifestaciones de la energía. Además, es una rama básica de la física, dado que prácticamente
no es posible encontrar un proceso físico sin transformación de energía. Las leyes que sustentan esta
materia no sólo explican los fenómenos de la naturaleza, también son base de muchos de los avances en
la civilización humana, particularmente por todo lo que implicó en la revolución industrial y consigo, el
advenimiento de las máquinas térmicas. Es en concreto, el curso de la energía, sus transformaciones y
sus consecuencias.
En el caso de la ingeniería, es evidente que sus pilares yacen en las experiencias cotidianas y
observaciones experimentales, y aquí existe una particularidad interesante. La ingeniería necesita de la
termodinámica, y ambas comparten algo recíproco: lo empírico, lo basado en la experiencia y los hechos.
A principios del siglo XIX, el ingeniero escocés Robert Stirling propuso la idea de un nuevo motor con
principios y funcionamientos totalmente distintos a las máquinas de vapor, símbolos de la revolución
industrial. Él logró ver todos los inconvenientes que presentaban, desde su costoso precio a los peligros
que involucraban. Por lo que inventó y patentó el “motor de aire caliente”, cuyo nombre hoy es
conocido bajo el nombre de su inventor.
El presente informe busca acotar el desarrollo y construcción de un motor Stirling, con artilugios y
herramientas simples, así como también busca explicar las claves y principios de su funcionamiento bajo
las leyes de la termodinámica y el denominado ciclo Stirling, vistas desde un punto de vista ingenieril.
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1. OBJETIVOS.
1.1
Objetivo General
•
1.2
Fabricar un motor Stirling y demostrar las aplicaciones de este en relación con las leyes de la
termodinámica.
Objetivo específico
•
Realizar una investigación acerca de la construcción y funcionamiento de un motor Stirling,
indagando acerca del Ciclo Stirling y los conceptos análogos.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1 Termodinámica
La termodinámica es una rama de la física, la cual estudia el comportamiento y transformación de la
energía en los sistemas. Estudia con segregación los Procesos termodinámicos de transformación del
trabajo en calor y el proceso inverso según las leyes termodinámicas.
2.2 Ley cero de la Termodinámica
Establece que, dados tres cuerpos A, B y C, si los cuerpos A y B están en equilibrio térmico con C,
entonces los tres están en equilibrio térmico entre sí.
Ilustración 1.
Nota: Gráfico que representa la Ley cero de la Termodinámica.
2.3 Energía interna
La energía interna es aquella porción de energía relacionada con la agitación molecular interna, por
tanto, es una caracterización microscópica de las partículas que componen la materia.
En sí, un sistema está formado por una infinidad de partículas, cada una de estas posee energía
potencial, energía cinética y entre otras: la suma de todas estas energías es la energía interna.
Es importante recalcar que la energía interna es una variable de estado cuya simbología se abrevia con U
y se mide en Julios (J).
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2.4 Primera ley de la Termodinámica
La primera ley de la termodinámica relaciona la Energía interna con el calor y el trabajo. En sí, determina
que la energía interna de un sistema varía cuando intercambia calor o trabajo con otro sistema. Para
criterio del presente trabajo, se utilizará el criterio tradicional: el calor es positivo cuando es absorbido
por el sistema y el trabajo es positivo cuando es trabajo hecho sobre el entorno.
∆𝑈 = ±𝑄 ± 𝑊
Donde:
∆U: Variación de energía interna, se mide en Julios (J).
Q: Calor absorbido o cedido, se mide en Julios (J).
W: Trabajo hecho sobre el sistema o sobre el entorno, se mide en Julios (J).
2.5 Segunda ley de la Termodinámica
Según la ecuación de la Primera ley de la Termodinámica se puede concluir que siempre que se
mantenga constante la energía interna, todo el trabajo se puede transformar en calor y viceversa. Sin
embargo, esto no es así, puesto la naturaleza nos determina una dirección dada en los procesos. Es por
ello por lo que se definió la Segunda ley de la Termodinámica.
La Segunda ley de la Termodinámica se expresa en las siguientes formulaciones:
Enunciado de Kelvin-Planck:
“No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y
la conversión de este calor en trabajo.”
Enunciado de Clausius:
“No es posible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo de
menor temperatura a otro de mayor temperatura.”
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2.6 Eficiencia térmica
A partir de los enunciados de la Segunda ley de la Termodinámica, es posible definir la eficiencia
térmica. Las máquinas térmicas aprovechan sólo una parte del calor entregado para transformarlo en
trabajo mecánico.
ɳ=
𝑊 𝑄1 − 𝑄2
𝑄2
=
= 1−
𝑄1
𝑄1
𝑄1
Donde:
𝐽
ɳ: Rendimiento o eficiencia térmica. Su valor es adimensional (𝐽), su valor máximo es uno (100%).
W: Trabajo realizado por la máquina, su unidad de medida es el Julio (J):
𝑄1 y 𝑄2 : Representa la transferencia de calor entre la fuente y el motor, y el motor y el sumidero
respectivamente.
2.7 Entropía
Los sistemas termodinámicos tienen una dirección de avance natural, esta dirección de avance está
determinada por distintas probabilidades referidas a su microestado actual, aquellos más probables son
estimados por la entropía: la tendencia al desorden.
Para estudiar los procesos espontáneos (aquellos que suceden sin necesidad de fuerza externa) se
definió la entropía como variable de estado. Aquellos más probables tienen mayor entropía.
∆S = Sfinal – Sinicial
Donde:
∆S: Variación de entropía, se mide en
𝐽
𝐾·𝑚𝑜𝑙
Sfinal: Entropía final.
Sinicial: Entropía inicial.
En general, si la entropía aumenta entonces el sistema aumentó en su desorden molecular, mientras si
disminuye, disminuyó su desorden molecular.
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2.8 Tercera ley de la Termodinámica
La Tercera ley de la Termodinámica fue definida por Walter Nernst, físico y químico alemán.
Postulado de Nernst:
“No se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas.”
En sí, define que al llegar a la temperatura del cero absoluto (0°K) cualquier proceso químico o físico se
detiene y la entropía toma un valor mínimo y constante. En orden para obtener la temperatura del cero
absoluto se necesita de un número infinito de procesos, por lo cual, es imposible de conseguir.
8
2.9 Contexto histórico e importancia del motor Stirling
El motor Stirling fue desarrollado debido a la problemática de desarrollar motores más simples
(económicos y accesibles a pequeñas industrias en la época de la revolución industrial). En sus inicios fue
utilizado como fuente de poder de pequeñas máquinas y bombas de agua. John Ericsson diseñó y
construyó un barco movido con un motor Stirling y por la misma época logró una patente para una
bomba de agua que se convirtió velozmente en un éxito de ventas entre granjeros norteamericanos.
Incluso hasta en las primeras décadas del siglo XX se vendían ventiladores de mesa que funcionaban con
una pequeña fuente de calor en su parte posterior, tales como un mechero.
Ilustración 2.
Nota: Un ventilador accionado por un motor Stirling casero del siglo XX.
9
2.10
Tipos de motor Stirling
Hay tres distintos tipos de motores Stirling que diferencian en su construcción y mecanismo:
•
Motor tipo Alpha: consta de dos recipientes y no utiliza pistón desplazador.
Ilustración 3.
Nota: Motor Stirling tipo Alpha.
•
Motor tipo Beta: consta de un recipiente y utiliza un pistón desplazador.
Ilustración 4.
Nota: Motor Stirling tipo Beta.
10
•
Motor tipo Gamma: consta de dos recipientes y utiliza pistón desplazador.
Ilustración 5.
Nota: Motor Stirling tipo Gamma.
Para motivos prácticos del presente informe y debido a que la construcción se basará en un motor de
tipo Beta, nos limitamos a este exclusivo caso.
El motor Stirling de tipo Beta fue el primero de su clase, por lo tanto, el primer moto Stirling fue de tipo
Beta. Este tipo de motor consta de un cilindro, subdividido en dos áreas a distinta temperatura, un área
con un foco caliente y la otra con un foco frío. En el interior del cilindro se encuentra el pistón
desplazador, cuyo objetivo es trasladar el aire desde la zona caliente a la fría y viceversa.
El cigüeñal se encuentra concéntrico al recipiente, de manera que el pistón desplazador está desfasado
90° respecto al pistón de potencia, lo que permite que el motor funcione.
2.11
Particularidades de un motor Stirling
El motor Stirling es un dispositivo capaz de transformar calor en trabajo, o dicho más específicamente,
energía calorífica en trabajo mecánico. Esto se produce de manera cíclica mediante la expansión y
comprensión de un gas en el interior del recipiente debido a un foco caliente y un foco frío, produciendo
las variaciones de presión en el gas e implicando el desplazamiento de este mismo moviendo entonces el
pistón y produciendo así, a partir de energía calorífica, trabajo mecánico.
La particularidad de este motor es que es un motor prácticamente libre de contaminación, puesto
únicamente necesita una fuente de calor cualquiera para funcionar, por lo que al ser un motor con
funcionamiento con combustión externa emite menor cantidad de contaminantes, y es más, es posible
utilizar fuentes de calor que no requieran combustión, reduciendo así al máximo los contaminantes. Así
mismo el manipular el motor es relativamente simple, puesto el modificar las temperaturas implicará un
cambio en la rapidez del ciclo.
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2.12
Procesos termodinámicos
Existen distintas variables de estado determinadas en los sistemas termodinámicos tales como la
presión, la temperatura, el volumen, etc., según los intercambios de calor y trabajo estas varían, las
cuales determinan procesos: un proceso es el cambio en un sistema termodinámico.
Con sólo la variación de una variable de estado en un sistema dado esto determina un proceso
termodinámico. Existen distintos tipos de procesos termodinámicos, pero para motivos del presente
trabajo se limitan a dos:
•
Proceso isotérmico: Aquel tipo de proceso a temperatura constante.
Los procesos isotérmicos son apreciables en el motor Stirling en la comprensión y expansión del fluido a
temperatura constante, principios mejor conocidos como la Ley de Boyle:
“El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le
aplique”.
𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃2 ∗ 𝑉2
Donde:
P: Presión.
V: Volumen.
•
Proceso isocórico: Aquel tipo de proceso a volumen constante.
Los procesos isocóricos se aprecian al funcionar el motor calentando y enfriando el fluido a volumen
constante, principios mejor conocidos como la Ley de Gay Lussac:
“la presión absoluta del gas es directamente proporcional a la temperatura”.
𝑃1
𝑃2
=
𝑇1
𝑇2
Donde:
P: Presión.
T: Temperatura.
12
Estos dos procesos se extraen a partir de la primera ley de la termodinámica, la cual establece la
conservación de la energía.
Por otro lado, el proceso Stirling es un proceso cíclico y reversible, estos se explican a continuación:
•
Proceso cíclico: Es un proceso que, desde un estado inicial termina en un estado final idéntico al
inicial, por lo tanto, termina en el mismo estado. En este caso, el cambio de energía interna es
cero, y por consecuencia, el calor agregado al sistema coincide con el trabajo hecho sobre el
entorno.
•
Proceso reversible: Transcurre en distintos estados de equilibrio aproximados, donde por medio
de infinitos procesos, el sistema vuelve a su estado original. Este tipo de proceso es una
idealización termodinámica, puesto en la naturaleza no existe un proceso enteramente
reversible.
2.13
Máquina térmica
Una máquina térmica es un dispositivo cuya finalidad es convertir el calor en trabajo. Para tales efectos,
se utiliza una sustancia capaz de realizar trabajo debido al suministro de calor, de manera que mediante
un proceso cíclico pueda funcionar de manera continua. El problema de este tipo de artefactos es que
están susceptibles a la segunda ley de la termodinámica, la eficiencia, así como también otras pérdidas
de energía tales como la fricción o la pérdida de calor debido a que el dispositivo puede no ser
perfectamente hermético.
Al ser un ciclo idealizado:
∆𝑈 = 0
Nota: Como una máquina térmica tiene un proceso cíclico, su energía interna
inicial corresponde a la final.
13
2.14
Ciclo Stirling
Ilustración 6.
Nota: Gráfico de un ciclo Stirling.
El ciclo Stirling es la versión idealizada del funcionamiento del motor Stirling:
1→2: El gas se comprime debido al pistón que es direccionado hacia el suelo en consecuencia de la
fuerza de gravedad. Esto corresponde a el tramo de la hipérbola en la temperatura 𝑇1 . Esta temperatura
es constante, por ende, este tramo corresponde a un proceso isotérmico.
2→3: Se calienta el gas debido a la fuente de calor en el inferior, manteniendo fijo el volumen.
Gráficamente, es la línea vertical entre las dos isotermas, la cual corresponde a un proceso isocórico.
3→4: Se expande el gas a temperatura constante (a causa del aumento de temperatura en el anterior
proceso 2→3) hasta que vuelve a su volumen inicial. Corresponde al otro arco de hipérbola ahora
recorrido hacia volúmenes crecientes, este proceso corresponde a un proceso isotérmico.
4→1: Se enfría el gas a causa del foco frío en la parte superior, manteniendo constante su volumen hasta
que su temperatura vuelve a ser la inicial. Corresponde al segundo tramo vertical hacia abajo, cerrando
el ciclo bajo un proceso isocórico.
Una vez culminado el primer ciclo, éste se repite hasta que se agota la fuente de calor, o bien, el foco frío
aumenta de temperatura a causa del calor.
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3. MATERIALES, CONSTRUCCIÓN, FUNCIONAMIENTO Y LEYES DE LA
TERMODINÁMICA
3.1 Materiales
✓ 2 latas vacías con base, una de 13cm. aprox. y otra de 9cm. de diámetro, con ambas con 16cm.
de alto.
✓ 1 abrelatas.
✓ 1 papel lija.
✓ 1 alambre de metal de 1m.
✓ 8 virutillas de metal para lavar platos.
✓ 1 cartón largo.
✓ 1 globo de 25cm.
✓ Utensilio para perforar.
✓ 1 dispensador de jabón.
✓ Metal o estructura de madera con forma de aspas de ventilador.
✓ 1 radio de bicicleta.
✓ 1 alicate.
✓ Pegamento “Topex” 30g. (acero líquido).
✓ Adhesivo epóxico de 50g. o menos.
✓ Spray con color a elección.
✓ Cinta americana.
✓ 1 percha metálica.
✓ 1 hélice de cualquier material.
✓ 1 taladro o algún dispositivo para realizar un agujero de 0,5cm.
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3.2 Introducción a la maqueta: construcción
1. El primer paso consiste en cortar la lata de 13cm. de diámetro por la parte donde tenga la base,
haciendo con un abrelatas un agujero de 9-9.5cm. de tal manera que la lata que se ocupará de
recipiente (la de 9cm.) pueda caber justo dentro de la que fue cortada.
Ilustración 7.
Nota: Lata de 13cm. de diámetro siendo abierta con un abrelatas.
16
2. Luego, se debe cortar la lata de 13cm. de diámetro en dos partes: una de 9cm y la otra restante.
Esto nos originará dos nuevas partes que servirán de estructura: la parte de 9cm. servirá de
apoyo para el motor y la de 4cm. servirá de foco frío en el motor. La parte de 4cm. debe
contener la base cortada con el agujero.
Ilustración 8.
Nota: Soporte a la izq. y motor con el foco frío ya adherido al recipiente a la der.
3. En los bordes del agujero de la base de la lata cortada en el paso anterior de 4cm. deben ser
doblados hacia afuera, de manera que posteriormente estos bordes sirvan para adherir el foco
frío al motor en la mitad del recipiente de 13cm., se debe adherir mediante pegamento “Topex”.
Se debe esperar 30 min. a que se seque el pegamento. Se debe colocar una cantidad
considerable en los bordes, puesto esta base servirá para mantener agua, lo que servirá de
enfriamiento.
4. Se debe colocar cinta americana en los bordes del foco frío del motor para que los bordes de
sierra no lastimen (como se puede apreciar a la derecha en la Ilustración 8).
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5. El siguiente paso es realizar dos agujeros a 4cm. de la parte superior del recipiente de diámetro
de 9cm. de manera que sean paralelos uno con el otro, en donde en uno de los agujeros se debe
realizar un corte longitudinal hasta el agujero como se puede apreciar en la Ilustración 11. Estos
pueden ser realizados con un taladro con un grosor de 0,5cm.
Ilustración 9.
Nota: Recipiente con los agujeros a 4cm. de la parte superior.
6. Una vez realizado el paso anterior se debe realizar el cigüeñal, con el radio de bicicleta de un
aproximado de 38 centímetros debe quedar dispuesto de la siguiente manera:
Ilustración 10.
Nota: Cigüeñal con dobleces de 1,5cm. y 2cm. en la mitad. Un sujetador debe
quedar en 90° respecto al otro.
18
7. Una vez hecho el cigüeñal, este debe encajar en los agujeros y quedar concéntrico al recipiente
que nos servirá de motor, tal como se puede apreciar en la siguiente imagen.
Ilustración 11.
Nota: Recipiente que servirá del motor con cigüeñal encajado.
8. El siguiente paso es sacar el cigüeñal del recipiente luego de comprobar que encaje, y se debe
cortar el dispensador plástico de jabón en dos partes pequeñas del tamaño de los dobleces del
cigüeñal, estas deben introducirse con cuidado que no se rompan.
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9. Una vez hecho la parte anterior, se procede a realizar el pistón: se debe cortar la percha metálica
con un largo de 13cm. aprox. y realizar un doblez con forma circular en la parte inferior.
Posteriormente, con la virutilla metálica, se enrolla en torno a esta forma circular, de tal manera
que quede con una forma cilíndrica casi idéntica al recipiente que se usará de motor. El truco
está en que una vez se introduzca el pistón, este debe caer al fondo producto de la fuerza de
gravedad, si este no cae entonces se debe quitar virutilla hasta que caiga sin problemas. Esto se
hace con fin de que la fricción que se genere no sea un impedimento en el mecanismo.
Ilustración 12.
Nota: Pistón desplazador.
20
10. Una vez hecho el pistón, en la parte inferior del pistón se debe enrollar con alambre metálico, de
manera que quede sujeto, con un aproximado de 16cm. de largo de alambre. En la parte del
alambre no enrollada, se debe enrollar a uno de los sujetadores del cigüeñal.
Luego, con otro alambre, se debe hacer un doblez circular y posteriormente enrollar la parte sin
doblez al otro sujetador del cigüeñal.
Ilustración 13.
Nota: Alambre enrollado al cigüeñal y al pistón.
21
11. De la parte anterior, colocar adhesivo “Topex” en todas las uniones anteriormente enrolladas.
Ilustración 14.
Nota: Alambre enrollado al cigüeñal y al pistón con pegamento “Topex”.
12. Encajar el cigüeñal correctamente en el recipiente motor, corroborando que quede
perfectamente funcionando el mecanismo de giro.
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13. Luego, en donde está el corte longitudinal se debe rellenar con adhesivo epóxico, se debe
rellenar por ambos lados del recipiente motor comprobando que quede prolijo y sin agujeros, sin
llegar a sellar el agujero donde va el cigüeñal, puesto eso se hará después. El recipiente motor
debe ser lo más hermético posible. Una vez seco, para afirmar el cigüeñal se debe colocar
adhesivo epóxico contiguamente a los agujeros del cigüeñal, antes de hacerlo se debe colocar
aceite en la barra del cigüeñal permitiendo así que no se pegue al adhesivo y nos arruine el
mecanismo de giro. Posteriormente se puede pintar con spray a elección.
Ilustración 15.
Nota: Recipiente motor pintado con spray negro.
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14. Una vez hecho el mecanismo anterior, sólo queda elaborar el pistón de potencia. Se deben
fabricar o obtener dos arandelas del tamaño del doblez circular hecho en el alambre restante
que va en el cigüeñal, cuidando que idealmente el diámetro de la arandela coincida con el doblez
circular. Las arandelas se elaborarán a partir del cartón piedra. Estas arandelas serán adheridas
al globo con el adhesivo “Topex”, colocando una por fuera, y otra por dentro en el centro de la
base del globo. Finalmente, debe adherirse una de las arandelas al doblez circular, corroborando
que el mecanismo de giro funcione correctamente. Si se desea se añade una hélice de cualquier
material por fuera del mecanismo de giro para poder dar “cuerda” al mecanismo para hacerlo
funcionar.
Ilustración 16.
Nota: Motor Stirling finalizado.
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3.3 Funcionamiento de la maqueta
El funcionamiento del motor Stirling fabricado es bastante simple, en sí funciona con las variaciones de
presión a causa de los cambios de temperatura según el Ciclo Stirling (cabe recordar que aquel ciclo es
idealizado, y por ende es una aproximación del real). En orden para su funcionamiento, requiere de dos
componentes: agua fría (que se puede colocar en un refrigerador) y algo que proporcione suficiente
calor para provocar una diferencia de temperatura considerable.
1. El primer paso es cubrir con el globo la abertura de la parte superior del recipiente, se pueden
colocar elásticos para mantener rígido el globo y no se escape al dar girar el cigüeñal. En el foco
frío se debe verter el agua helada de manera que cubra lo más posible sin llegar a que se
rebalse.
Ilustración 17.
Nota: Vertiendo el agua helada en el foco frío.
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2. El siguiente paso es encender un fósforo y una vela (o bien en la cocinilla de un horno si se
dispone). Luego, la fuente de calor se debe disponer bajo la base de manera que se pueda
colocar el motor sobre ella sin que este se incline o se balancee.
Ilustración 18.
Nota: Encendiendo la vela.
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3. El último paso es dar “cuerda” al motor para que empiece a funcionar.
Ilustración 19.
Nota: Motor Stirling.
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3.4 Leyes de la Termodinámica
3.4.1 Ley cero de la Termodinámica
La Ley cero de la Termodinámica se puede apreciar una vez funcionando el motor Stirling: removiendo
la fuente de calor. Si se remueve la fuente de calor mientras funciona, el motor parará, esto a causa de
que la temperatura del fluido de trabajo en el interior tiende a estabilizarse, entrando en equilibrio
térmico a lo largo de todo el volumen del recipiente, produciendo que no haya variación de presión y por
consecuencia, el pistón de trabajo no se desplace por el fluido de trabajo. Finalmente transcurrido unos
minutos, el recipiente entrará en equilibrio térmico con el ambiente.
3.4.2 Primera ley de la Termodinámica
En un motor Stirling se puede apreciar en plena acción la Primera ley de la Termodinámica: tal es el caso
en el ciclo Stirling, en los procesos isotérmicos (esto se puede apreciar a simple vista en el ciclo Stirling,
en concreto, en el segundo proceso isotérmico en el proceso 3→4). Cuando el pistón de potencia se
levanta es a causa del calor suministrado en la parte inferior del motor: este calor se convierte en trabajo
a través del fluido de trabajo a causa de la variación de presión que existe entre el área caliente y fría del
recipiente (en el área caliente existe mayor presión que en la fría), provocando la expansión del gas,
desplazando el pistón y reduciendo el volumen en el foco frío. Ello es clara evidencia de la conservación
de la energía, puesto la máquina térmica transforma el calor en trabajo mecánico gracias al fluido de
trabajo.
El cálculo del trabajo puede ser realizado mediante la primera ley de la termodinámica en un proceso
isotérmico, simulando en el ciclo Stirling el proceso 1→2:
∆𝑈 = ±𝑊12 ± 𝑄12 , pero ∆𝑈 = 0,
Entonces como el gas realiza un trabajo 𝑊12 , tiene que absorber una cantidad igual de calor 𝑄12 para
mantener su temperatura constante. Entonces el cálculo se simplifica a:
𝑄12 = 𝑊12 ,
𝑉2
𝑉2
𝑊 = ∫ 𝑝 ∗ 𝑑𝑉 = ∫
𝑉1
𝑉1
𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇1
𝑉2
∗ 𝑑𝑉 = 𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇1 ∗ ln ( )
𝑉
𝑉1
Donde p se despeja a partir de la ley de los gases ideales.
Sin embargo, esto es en el caso hipotético que el motor Stirling hubiera efectuado trabajo, lo que
prácticamente no sucedió, por lo que el trabajo fue mínimo sucediendo que el calor fuera mínimo, esto
es válido puesto el poder calorífico de la vela no fue capaz de brindar una diferencia de temperatura
apropiada, lo que nos comprueba la primera ley de la termodinámica.
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3.4.3 Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la Termodinámica es observable en el rendimiento o eficiencia de la máquina térmica:
no todo el calor absorbido es aprovechado en forma de trabajo, y esto es claramente lo que sucedió en
la máquina térmica. El calor absorbido no fue totalmente aprovechado en trabajo, gran parte de él se
perdió en el ambiente o bien en forma de fricción en el pistón y cigüeñal, provocando que el motor
Stirling no ejerciera prácticamente trabajo.
Por lo tanto, como el trabajo fue mínimo, es posible aproximarlo a cero, lo que nos permite calcular la
eficiencia térmica del motor:
ɳ=
𝑊 𝑄1 − 𝑄2
𝑄2
=
=1−
𝑄1
𝑄1
𝑄1
pero W ≈ 0, entonces:
ɳ=
0
0
=
=0
𝑄1 𝑄1
Por lo que la eficiencia térmica de la máquina fue cero, no aprovechándose absolutamente ningún
porcentaje del calor en forma de trabajo, comprobándose así la segunda ley de la termodinámica.
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3.4.4 Tercera ley de la Termodinámica
La Tercera ley de la Termodinámica es posible advertirla sin la idealización del ciclo de lo que es una
máquina térmica. Anteriormente se mencionó que el motor Stirling funciona en base a un proceso
reversible, lo cual una idealización en base a una aproximación. En la práctica ningún proceso real es
reversible, por lo que la entropía siempre tiende a aumentar. A causa de esto, el motor Stirling
construido no posee un ciclo reversible y, por consiguiente, la entropía del motor tenderá a aumentar a
medida funcione, puesto no es completamente hermético ni tampoco los pegamentos resistirán la
humedad del agua y la corrosión del fuego, originando que tarde o temprano pueda desarmarse o
deformarse, siendo cada vez más inestable y provocando que cada vez sea menos eficiente.
De manera menos abstracta, es sabido que la entropía no es una magnitud absoluta, y por ende se basa
en las variaciones de sigo misma, por lo que, si consideráramos la entropía inicial del sistema que incluye
el motor Stirling, la base, la vela, etc. sin funcionar y posteriormente la entropía final con el motor en un
instante dado funcionando (o incluso, como sucedió en la experiencia, con sólo la vela encendida),
calcularíamos que la entropía aumento, puesto el sistema está más desordenado. Esto nos comprueba
empíricamente la tercera ley de la termodinámica.
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4. Conclusión
Se puede concluir que, si bien la experiencia no resultó acorde a lo esperado, el proceso permitió
aprender a fabricar las bases de un motor Stirling, experimentando lo que en un momento dado de la
revolución industrial logró fabricar Robert Stirling. El hecho que el motor Stirling no haya funcionado a
pesar de todos los esfuerzos colocados abre la puerta a pensar acerca de lo innovativo e ingenioso que
fue el ingeniero escoces, sin embargo, la fabricación fue un apoyo necesario para la posterior
investigación de las leyes de la termodinámica involucradas en la experiencia. El fallo del motor yació en
la puesta en marcha debido a que no se suministró la suficiente energía calorífica a causa del bajo poder
calorífico de la vela utilizada, así como también a causa de la rigidez del globo empleado en el recipiente,
puesto este último no disponía del ancho necesario para cubrir elásticamente el cigüeñal,
imposibilitando su mecanismo de giro.
Finalmente, es importante recalcar que el motor Stirling funciona sin emitir una cantidad considerable de
emisiones contaminantes al ambiente, esto dependiendo de la fuente de calor. Lo que permite construir
modelos a partir de energías renovables, tales como la solar.
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