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.