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EXPERIMENTO: “MAQUINA DE VAPOR”

ESTUDIANTES:

JULIAN BLANDON

DIXON JARAMILLO

GASPAR SOTO

DANIEL VALENCIA

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

MEDELLÍN

2012

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EXPERIMENTO: “MAQUINA DE VAPOR”

ESTUDIANTES:

JULIAN BLANDON

DIXON JARAMILLO

GASPAR SOTO

DANIEL VALENCIA

INFORME DE PRACTICA EXPERIMENTAL

PROFESOR:

INGENIERO. JUAN FERNANDO PEREZ BAYER

ASIGNATURA:

IMC-364 TERMODINAMICA I

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

MEDELLÍN

2012

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1. CONTENIDO

2 Glosario 4

3 Resumen 5

4 Introduccion 6

5 Descripcion 7

6 Antecedentes 7

7 Justificacion 9

8 Objetivos 9

8.1 Objetivos general 9

8.2 Objetivos especificos 9

9 Marco teorico 10

10 Desarrollo del experimento 12

11 Resultados y analisis 14

12 Conclusiones 18

13 Recomendaciones y trabajos futuros 19

14 Bibliografia 20

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2. GLOSARIO

Calor: Es una forma de energía que sucede cuando se tiene una diferencia de

temperaturas.

Mechero: Aparato que mediante una mecha encendida sirve para proveer energia en

forma de calor.

Sistema: es el objeto de estudio. Es de libre eleccion por parte de las personas que

esten estudiando y analizando un fenomeno. Y puede ser abierto o cerrado.

Termodinamica: La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de

las relaciones entre el calor y el resto de las formas de energía.

Veleta: Objeto generalmente de metal giratorio, generalmente en forma de flecha, que

se coloca en lugares altos y sirve para señalar la dirección del viento.

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3. RESUMEN

En este trabajo reproducimos y desarrollamos un experimento casero como una puesta en

escena de una aplicación practica de la primera ley de la termodinamica. Usando las

habilidades manuales de los integrantes del equipo de trabajo se logro construir una maquina

de vapor artesanal por medio de elementos que se consiguen facilmente en el comercio.

Durante todo este informe mostrameos todo lo que se hizo nuestros malos diseños, hasta

llegar al diseño ideal

Haciendo uso de metodologia experimental se midieron algunas de las variables implicadas

en el experimento. Para introducir estos valores en la ecuacion de primera ley y modelar

matematicamente el fenomeno fisico.

Algunos de los datos fueron tomados de fuentes de informacion bibliografica y de internet, asi

como la idea original del experimento fue tomada de la red de videos youtube.com

Palabras clave

Termodinamica

Primera ley

Maquina de vapor

Vapor de agua

Capacidad calorifica

Combustible

Calor

Trabajo

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4. INTRODUCCION

La primera ley de la termodinamica es la explicacion a multiples aplicaciones y fenomenos

que vemos en el diario vivir. sabemos que esta definida como la ley de conservacion de la

energia, sitando que la energia no se destruye solo se transforma y nosotros la

ejemplificamos con un sencillo motor de vapor, hecho con una lata de gaseosa,agua, un

tubo, una veleta y un combustible, donde la energia dada por el combustible se convierte en

energia mecanica y en gran escala es uno de los metodos mas usados en el mundo para la

produccion de energia electrica.

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5. DESCRIPCION DEL PROBLEMA

Se requiere reproducir un experimento en el cual se ejemplifique la primera ley de la

termodinamica con elementos de utilizacion casera y de bajo costo.

6. ANTECEDENTES

Nos basamos en el experimento realizado por Jonathan Josué Morales Vázquez y Aaron

Sanchez Basave asesorados por el profesor Mena Monroy Ricardo Alberto de la asignatura

de Fisica III. Escuela Nacional Preparatoria No 2 "Erasmo Castellanos Quinto. el 6 de marzo

de 2012 en Mexico.

Primer diseño (veleta + lata de redbull)

Figura 1. Diseño 1. lata de redbull y veleta de papel.

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Este diseño fue un completo fracaso dado que el tubo de aluminio se introdujo hasta la mitad

de la profundidad de la lata, al calentar el vapor saturado de agua se acumulaba en la parte

superior de la lata y por la posicion del tubo no lograba salir el vapor de agua, se dedujo que

necesitariamos un tubo con un diametro interior mas pequeño para lograr que el vapor de

agua saliera con mayor velocidad. Se uso una veleta mas pequeña, de un material mas

resistente como el acrilico que pudiera soportar el calor ya que el papel del que estaba

conformada la veleta se deformaba con facilidad debido al vapor de agua y por ultimo

usamos una lamina que pusimos alrededor de la lata para lograr que el calor no deformara el

acrilico. Teniendo todo esto en cuenta se realizó el segundo diseño.

Figura 2. Diseño 2. Lata de cerveza aguila y veleta en acrilico.

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7. JUSTIFICACION

Confrontar la teoria con la practica ha sido parte fundamental de los procesos derivados del

metodo cientifico incluyendo los procesos de ingenieria.

8. OBJETIVOS

8.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar una prueba experimental donde se ejemplifique la primera ley de la

termodinamica

8.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Desarrollar la capacidad creativa de los estudiantes de termodinamica para aplicar la

teoria termodinamica de manera practica y experimental.

Afianzar conceptos teoricos y reducir su faceta abstracta a traves de la

experimentacion.

Construir un dispisitivo que tome una energia termica y la transforme en energia

mecanica con un aprovechamiento en forma de trabajo.

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9. MARCO TEORICO

Sistema abierto o volumen de control

Flujo transitorio

Nomenclatura de las ecucaciones: i= entrada, e= salida, 1= inicial, 2= final

ecuacion 1

ecuacion 2

ecuacion 3

ecuacion 4

ecuacion 5

ecuacion 6

ecuacion 7

En la mayoria de aplicaciones termicas se desprecian por su pequeño valor

comparado con

ecuacion 8

ecuacion 9

ecuacion 10

ecuacion 11

ecuacion 12

ecuacion 13

ecuacion 14

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Material J/(kg·K) Material J/(kg·K)

Aceite vegetal 2000 Hielo (-10 °C a 0 °C)

2093

Agua (0 °C a 100 °C) 4186 Hierro/Acero 452

Aire 1012 Hormigón 880

Alcohol etílico 2460 Latón 380

Alcohol metílico 2549 Litio 3560

Aluminio 897 Madera 420

Amoniaco (líquido) 4700 Magnesio 1023

Arena 290 Mármol 858

Asfalto 920 Mercurio 138

Azufre 730 Metano (275 K) 2191

Benceno 1750 Níquel 440

Calcio 650 Nitrógeno 1040

Cinc 390 Oro 129

Cobre 387 Oxígeno 918

Diamante 509 Plata 236

Dióxido de carbono (gas) 839 Plomo 128

Estaño 210 Potasio 750

Etilen glicol 2200 Sodio 1230

Gasolina 2220 Tejido humano 3500

Grafito 710 Tierra (típica) 1046

Granito 790 Vapor de agua

(100 o

C)

2009

Helio (gas) 5300 Vidrio (típico) 837

Hidrógeno (gas) 14267

Tabla 1. Calor específico (capacidad calorífica específica) (25 °C, 1 atm=101 325 Pa)

de algunos materiales

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10. DESARROLLO DEL EXPERIMENTO

10.1 Materiales

Tubo

Material del tubo: plastico

Longitud del tubo: 30 mm

Diametro exterior tubo: 6 mm

Diametro interior: 4 mm

Lata (cerveza aguila)

Material: aluminio

Volumen neto (capacidad) : 330 cm3

Longitud: 118 mm

Diametro exterior: 67 mm

Horno de alcohol

Material: acero

Diametro: 75 mm

Altura: 80 mm

Diametro recipiente interior: 60 mm

Altura recipiente interior: 65mm

Estopa de aluminio: 20 gr

Combustible

Nombre:alcohol industrial o etilico (C2H5OH)

Cantidad inicial: 40 ml

Cantidad final: 35 ml

Cp: 2460 j/Kg*k

Punto de fusión: 158.9 K (-114.3 ºC) Punto de ebullición: 351.6 K (78.4 ºC)

Densidad: 789 kg/m3. 0.789 g/cm3

Grado Alcohol métrico: 95 º G.L. Mínimo Temperatura crítica: 514 K (ºC) Viscosidad: 1.074 mPa.s a 20ºC Solubilidad en agua: Miscible

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Punto de inflamación (ºC):

Temperatura de auto ignición (ºC): 422

Limites de inflamabilidad (%V/V): 3.3 – 19

Veleta

Material: acetato

Numero de paletas : 8

Diámetro: 0.034 m

Área de las paletas:1cm*1.5 cm

Alambre

Material: acero dulce

Pegamento

Masilla epóxica

Agua

Cantidad inicial: 80 ml

Cantidad final: 71 ml

10.2 Procedimiento

Acondicionamiento de la lata Se toma una lata de 330 cm3 de cerveza, se efectúa un pequeño agujero con un clavo de acero y se aumenta el diámetro del agujero con ayuda de un destornillador hasta el punto en q entre el tubo de plástico. Posteriormente se extrae el contenido líquido de la lata en otro recipiente. El tubo de plástico (chimenea) y la veleta son fijadas en la lata por medio de masilla epoxica durepoxi Teniendo el tubo en posición se procede a introducir a la lata 155 ml de agua potable obtenida de la red de acueducto domiciliaria de epm. Acondicionamiento del mechero Se vierte en el mechero de acero una cantidad de 40 ml de alcohol etílico o industrial y se enciende con una candela Puesta en marcha del experimento

1. Se enciende el mechero. 2. Se calienta el agua al interior de la lata. 3. El agua hierve. 4. El agua comienza a generar vapor saturado. 5. El vapor sale por el tubo. 6. El vapor mueve la veleta.

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11. RESULTADOS Y ANALISIS

Figura 3. Esquema del experimento

Figura 4. Diagrama Tv representativo del proceso

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Figura 5. Esquema del volumen de control para el sistema termodinámico.

11.1 Calculo del calor ( ) suministrado por el alcohol De la ecuación 14 se obtiene:

kg/s

Ecuación 15

: Calor ṁ: flujo másico de combustible consumido. Cp: calor específico a presión constante. donde el Cp del alcohol etílico es 2460J/kg*K

ΔT: cambio de temperatura del aire, que es lo que inicialmente se calienta (341-300)K t: tiempo hasta la producción de movimiento mecánico en la veleta t= 350s

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Nota: las pérdidas de calor debidas a las paredes de la lata y del tubo se despreciaron por la estimación de su pequeña magnitud. 11.2 Cálculo del trabajo (W) en la veleta

ecuacion 9

ecuacion 10

ecuacion 11

Ecuación 16 Para hallar las revoluciones de la veleta se grabó un video en alta definición al cual se le redujo notablemente la velocidad, además de haber pintado un aspa para mayor facilidad visual, esto nos arrojó un dato promedio de 9 rev/s (la velocidad varia de manera uniforme pero para mayor facilidad de los cálculos la tomamos constante.) unas 540rpm. Para hallar la aceleración también nos apoyamos en el video midiendo el tiempo desde el punto de reposo a su máxima velocidad, unos 5 segundos. ω= 540rpm*2πrad/60s= 56.548rad/s α= ω/t Ecuación 17

11.3096rad/s2

Ahora: Ecuación 18 F*0.017m=I*11.3096rad/s2

F= π*0.0174*11.3096/4*0.017 F= 4.3639*10^-5 N W= 4.3639*10^-5*0.017 W= 7.41*10^-7 Nm 11.3 Cálculos para el agua

Cantidad inicial: 80 ml= 80 ; temperatura inicial: 27°C

Cantidad final: 71 ml= 71 ; temperatura final: 94.94°C Tiempo: 350s

;

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11.4 balance de energía en el sistema

T°C P Kpa kJ/kg kJ/kg

25 3.1698 104.83 104.83

27 3.6 113.19 113.194

30 4.2469 125.73 125.74

T°C P Kpa kJ/kg kJ/kg

91.76 75 2496.1 2662.4

94.935482 85.113 2499.9 2667.5

99.61 100 2505.6 2675

Tabla 2. Interpolación.de tablas A-4 y A-5 de Cengel para agua saturada en estados 1 y 2.

ecuacion 8

De la figura 5 se puede observar que ; ; por lo tanto el balance de

energía será:

(

)

Nota: el signo negativo indica que el calor es cedido por el sistema hacia los alrededores

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12. CONCLUSIONES

Entre mas pequeño el diámetro interior del tubo, mayor es la velocidad de salida de

vapor de agua se obtiene.

En nuestro caso la llama del alcohol industrial resultó ser más eficiente que la del gas natural usado en las cocinas comunes.

Debido a que producimos una llama más grande con el alcohol industrial entre más pequeña y cerca este la veleta del tubo más fácil girará.

Se demostró efectivamente que la energía no se destruye solo se transforma.

El diseño de la veleta es parte fundamental en la eficiencia del movimiento mecánico.

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13. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Antes de realizar un experimento como este se deben conseguir todos los instrumentos de medición posibles

Los instrumentos de medición que intervengan en el experimento deben de estar debidamente calibrados.

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14. BIBLIOGRAFIA

Termodinámica. Yunus A. Cengel. Michael Boles. Edición quinta. Paginas: 246 a 252

http://www.quimicatecnica.com.co/documentos/DISOLVENTE_4__VARSOL.pdf

http://dglab.cult.gva.es/Archivos/Pdf/DIBAMsolventes.pdf

http://www.youtube.com/watch?v=eCzbeH0UwUk

http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica06.htm