DI SEÑO Y CONSTRUCCIÓ CONSTRUCCIÓN N DE UN BA RCO A VAPOR M EDI ANT E LA APLI CACI CACI ÓN D E L A TEORÍA D E L A TERM ODI NÁMI CA *Sergio Javier Cullay Ashqui *Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica Riobamba, Ecuador (Tel: 0998694003; e-mail:
[email protected]) **Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica
RESUMEN : El vapor es uno de los fluidos más comúnmente utilizados para calentar equipos o instalaciones en cualquier tipo de industria por eso es importante conocer la utilización del vapor , ejemplificado en una pequeña máquina, la cual nos muestra el desarrollo de la energía térmica en la propulsión de un objeto e involucrando la metalistería y otras ciencias que de una u otra forma aportan en la construcción de dicho proyecto. En mi proyecto se construyó una pequeña maquina a vapor que utilizando las magnitudes termodinámicas de presión-vacío creadas dentro de una lata la cual se impulsa mediante ciclos, los cuales se dividen en evaporación-impulsión y condensación-vacío; logrando así un ciclo cerrado que dependerá de la cantidad de energía en forma de calor, cedi da por el combustible en este caso la vela. La construcción del barco tiene como característica principal un diseño basado en el porcentaje de flotabilidad de un cuerpo, tomando el centro de gravedad como el más adecuado para situar el elemento motriz y así darle al barco un contacto mínimo con el agua; tomando en cuenta que los materiales para la construcción minimicen el peso del mismo y así lograr un deslizamiento rápido y seguro sobre la su perficie acuática.
. Palabras clave: clave: energía térmica, térmica, flotabilidad, superficie superficie acuática
1. I NTRODU CCIÓN CCIÓN
Las calderas de los barcos de vapor están constituidas por un recipiente metálico cerrado donde el agua se transforma en vapor, proporcionando una producción continua de vapor a presión y temperatura determinadas. Estas calderas están formadas por el hogar, espacio donde se lleva a cabo la combustión del carbón, del petróleo o del combustible a utilizar; al aprovechar las magnitudes termodinámicas de presiónvacío los cuales se dividen en evaporaciónimpulsión y condensación-vacío; se logra un circuito cerrado y la cantidad de energía en forma de calor que se crea en el
interior de la lata hace que se produzca el movimiento.
2. OBJETIVOS: 2.1. General: Diseñar y construir construir un barco barco a vapor mediante mediante la aplicación de la teoría de la termodinámica.
2.2. Especifico:
Reconocer Reconocer los principios de de los termodinámicos. Demostrar el el uso de fuentes fuentes alternativas de energía. Realizar una prueba prueba con los modelos modelos propuestos.
3. Defi ni ción ción del pr oblema. oblema. Se pretende lograr la construcción de un modelo a escala representado en un barco, el cual deberá ser impulsado por energía térmica y de forma autónoma por un lapso de tiempo determinado por el elemento combustible en este caso una vela. En la práctica los barcos convencionales convencionales trabajan con combustibles fósiles y contaminan demasiado lo que se pretende con este proyecto es reducir la contaminación realizando un trabajo útil.
3. MARCO TEORICO: 3.1. CONCE PTOS BÁSI BÁSI COS T ermodi erm odi námi ca.
La termodinámica es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, la densidad, la presión, la masa, el volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico. La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento.
sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa. Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo. Esta ley indica la dirección la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. En un sistema aislado, es decir, que no intercambia materia ni energía con su entorno, la entropía siempre aumenta con el tiempo. En otras palabras: El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja.
Bar co de de vapor vapor También llamado buque; buque; propulsado por máquinas de vapor o por turbinas por turbinas de vapor. Consta elementalmente de una caldera de vapor, de una turbina de vapor o máquina de vapor y de un condensador refrigerado por agua. MODELO MATEMÁTICO. MATEMÁTICO.
Se produce una expansión isotérmica a la temperatura T 1, desde el volumen inicial V 1 al volumen final V 2. Variación de energía interna, ΔU 12 12=0
Pr i mera l ey de l a termodi námi ca.
La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía de energía interna, calor, interna, calor, y trabajo sobre un sistema. sistema. Usa extensamente el estudio de los motores los motores térmicos. La térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el
El gas realiza un trabajo t rabajo W 12 t anto, tiene 12 y por tanto, que absorber una cantidad igual de energía del foco caliente para mantener su temperatura constante.
= −
= (ℎ ℎ )
Materiales
Velas:
M ater ater ial es dir ectos ectos::
Pl ásti co
M ater ater ial es indir ectos ctos:
Sorbetes Pinturas:
Cartón
Estilete:
L ata metál i ca
Tijeras:
ℎ = ×
Procedimiento: 1. Cortar láminas de plástico. 2. Dar forma al barco mediante diversas habilidades y destrezas. 3. Hacer un orificio orificio en la base del barco. 4. Laminar lata de metal metal 5. Colocar sorbetes en la lata de metal y sellar en su totalidad. 6. Verificar que no existan fugas de agua en la lata 7. Introducir la caldera (lata de metal) en los orificios realizados en la base del barco 8. Sellar orificios de la base del barco correctamente. 9. Pintar y esperar esperar que seque. seque. 10. Colocar la caseta 11. Colocar la fuente de calor (velas) por debajo de la caldera. 12. Encender y verificar su funcionamiento.
Datos:
Liquido. T 1=16 °C Temperatura ambiente de Riobamba. V 1=0,0001m3 m1=60mg Cp=4,18 kJ/kg R= 0,4615kJ/kg°k 0,4615kJ/kg°k h1=Cp×(T 1 ) h1=4,18×(16) h1=66,88 kJ/kg
Vapor T 1=100°C Temperatura de ebullición.
R= 0,4615kJ/kg°k 0,4615kJ/kg°k
ℎ = 418
= = (ℎ ℎ ) = 418 418 66,8 66,88 8 = 351,12
× 0,00006 0,00006
= 0,021 = 0,021 =
El resultado de la observación pone de manifiesto lo elemental del proceso: los tubos expelen agua de manera pulsante (con una frecuencia de un impulso cada dos o tres segundos aproximadamente) que hace avanzar al barco
Cál cul cu l os:
Cp=4,18 kJ/kg
ℎ = 4,1 4,18 8 × 100 100
Conclusiones:
Gracias al sistema creado se explica la primera ley de la Termodinámica Termodinámica que se define como La conservación conservación de la energía. Al finalizar el experimento experimento podemos llegar a la conclusión que el barquito se mueve por el vapor resultante del calor suministrado al agua, esto hace que impulse al barquito
1. B i bli ograf ogr afí ía Boles, Y. A. (2009). (2009). Termodinamica. Termodinamica. Mexico: Mc Graw Hill. Galarga, J. (29 de Junio de 2007). Manchester. Obtenido de Calor y Energia: http://www.definicionabc.com/ciencia/termodi namica.php Perdomo, L. Obtenida
(18 de noviembre de 20011). de Termoesttyl:
http://www.monografias.com/trabajos55/leyesde-fisica/leyes-de fisica2.shtml#ixzz4I1m4QBn7 fisica2.shtml#ixzz4I1m4QBn7 .
ANEXO
