PROYECTO DE FISICA Maquinas Térmicas y Bombas de Calor

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y DE LA SALUD
CARRERA BIOQUÍMICA Y FARMACIA
PROYECTO DE FISICA
TEMA:
Maquinas Térmicas y Bombas de Calor
PERTENECE:
Estefanía Rueda Rodríguez
DOCENTE:
Freddy Alberto Pereira Guanuche
CURSO:
I Semestre "A"
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1. INTRODUCCCION
La termodinámica es fundamentalmente una ciencia macroscópica su objetivo
es, obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia, cuando
ésta se somete a toda una variedad de procesos.
La termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la
construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo
de la vida del hombre. Los orígenes de la termodinámica nacen de la pura
experiencia y de hallazgos casuales que fueron perfeccionándose con el paso
del tiempo.
El primer principio de la termodinámica establece que la energía interna puede
aumentar porque se realice trabajo sobre el sistema o porque se introduzca calor
en él. Desde este punto de vista calor y trabajo son equivalentes. Sin embargo,
la experiencia diaria nos muestra que no es así, sino que existe una diferencia
esencial entre ambos mecanismos de transferencia de energía. Podemos
trasformar todo el trabajo en calor, pero no podemos transformar todo el calor en
trabajo
Igualmente, la experiencia nos muestra que existe una dirección en el que
ocurren los fenómenos. Sabemos que el calor va de los cuerpos calientes a los
fríos y no al revés; que un gas tiende a expandirse ocupando todo el volumen
posible, y no a contraerse; que por consecuencia de la fricción los cuerpos se
paran, no se aceleran.
Este sentido de evolución de los sistemas no está contenido en el primer principio
de la termodinámica, sino que requiere un principio adicional, conocido como
Segundo Principio de la Termodinámica.
Es así como algunas de las máquinas térmicas que se construyeron en la
antigüedad fueron tomadas como curiosidad de laboratorio, otros se diseñaron
con el fin de trabajar en propósitos eminentemente prácticos.
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2. OBJETIVOS
2.1
OBJETIVO GENERAL
Experimentar la unidad de termodinámica a través de la realización de un
experimento para consolidar conocimientos adquiridos durante nuestro proceso
educativo
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Explicar mediante este experimento cual es el fin de las maquinas térmicas y
bombas de calor
Reforzar todos los conocimientos a través de diferentes investigaciones
realizadas durante este proceso
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3. MARCO TEORICO.
3.1 LA TERMODINÁMICA
Es la que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y
como trabajo.
Primera Ley de la Termodinámica
Esta ley se expresa como:
Eint = Q - W
Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo
efectuado por el sistema (W)
La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna,
trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía
interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema
variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo
le denominamos calor.
Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley lo mismo que la primera es un resultado de la experiencia, y se
descubrimiento y refinamiento lógico, empezó con el trabajo de Carnot. Algunos
enunciados significativos son:

Es imposible que una máquina que actúa por si misma sin ayuda de un
agente exterior, haga pasar calor desde un cuerpo a cierta temperatura
hasta otro a una temperatura superior.

Es imposible construir una maquina termodinámica que, cuando opere
según cierto ciclo, no produzca más efectos que efectuar trabajo e
intercambiar calor con un solo deposito térmico.
Todos los procesos espontáneos dan por resultado un estado más probable.
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3.2 MÁQUINA TÉRMICA
Una máquina térmica es un dispositivo que, operando de forma cíclica, toma de
calor de un foco caliente, realiza un cierto trabajo y entrega calor de desecho a
un foco frío, normalmente el ambiente, son aparatos que se utilizan para
transformar la energía calorífica en trabajo mecánico.
En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es
necesario considerar su influencia en la transformación de energía
Clasificación
Según el sentido de transferencia de energía
Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de
energía, en:

Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido
disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el
eje.

Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido
aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el
eje.
Según el principio de funcionamiento
Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican
en:

Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo
funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de
manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen
limitado por los elementos de la máquina. Se dividen a su vez en dos tipos
según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento
es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular.

Turbo máquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de
cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el
flujo es continuo.
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Eficiencia De Las Maquinas Térmicas
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, es imposible construir una
maquina térmica que transforme en trabajo todo el calor suministrado. Esta
limitación de las maquinas térmicas, cuya eficiencia nunca podrá ser del 100%,
se debe que la mayor parte del calor proporcionado en lugar de convertirse en
trabajo mecánico se disipa a la atmósfera, ya se a por el calor que arrastran los
humos y gases residuales calientes o por el calor perdido a través de la radiación
y la fricción entre sus partes móviles. En realidad, la eficiencia de las maquinas
térmicas es bastante baja, pues en las máquinas de vapor va de un 20% a un
35% máximo, en los motores diésel es de un máximo de 40%.
La eficiencia o rendimiento de una maquina térmica es la relación entre el trabajo
mecánico producido y la cantidad de calor que se le suministra.
USOS DE LAS MAQUINAS TERMICAS
Las máquinas nos facilitan mucho la vida.

Nos permiten hacer tareas en poco tiempo. Por ejemplo una motosierra
corta la madera antes que una persona.

Nos ahorran tiempo.

Nos permiten realizar tareas con precisión. Por ejemplo los robots pueden
hacer circuitos muy pequeños.

Nos ayudan a realizar tareas peligrosas.

Nos permiten transformar unos tipos de energía en otras. por ejemplo una
televisión.
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Ejemplos de máquinas térmicas:
La máquina de vapor y el motor de gasolina de los automóviles son ejemplos
de máquinas térmicas
Máquina de vapor.
La máquina de vapor consta de una caldera en la que se produce el vapor de
agua, el cual se conduce a través de un tubo hasta el cilindro donde se expande
empujando el émbolo o pistón.
Mediante la biela, el movimiento de vaivén del pistón se transforma en
movimiento de rotación de la rueda. Ésta gira completamente y en forma por un
sistema de válvulas.
El vapor de la caldera entra al cilindro y empuja al pistón. Cuando el pistón
concluye su recorrido, la válvula deslizante cambia de posición; entonces el
vapor entra por otro conducto empujando al pistón hacia la izquierda. El vapor
utilizado sale por la válvula y pasa a un depósito frío, donde se condensa.
Después, el agua pasa nuevamente a la caldera y el ciclo se repite para
mantener la rueda en rotación.
Motores de Combustión Interna
Los motores de los automóviles producen la expansión de gases quemando
combustible. Los motores más utilizados son los de gasolina y de diésel. En
estas máquinas térmicas, los gases de la combustión se expanden rápidamente
efectuando un trabajo.
De este tipo de máquinas, la más común es el motor de gasolina de cuatro
tiempos, en el cual la gasolina evaporada, mezclada con aire por el carburador
o inyector y colocada en la cámara de expansión, explota mediante una chispa
eléctrica producida por una bujía. La energía térmica genera trabajo en el
momento que los gases ejercen presión sobre el pistón.
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3.3 BOMBAS DE CALOR
Una bomba de calor es un dispositivo que aplica trabajo externo para extraer una
cantidad de calor QC de un foco frío y entregar calor QH a un foco caliente. La
bomba está sujeta a las mismas limitaciones de la segunda ley de la
termodinámica como cualquier otro motor térmico, y por lo tanto se puede
calcular la máxima eficiencia a partir del ciclo de Carnot.
Las bombas de calor, se caracterizan normalmente por un coeficiente de
rendimiento (COP), que es el número de unidades de energía entregada al foco
caliente, por unidad de trabajo de entrada.
Funcionamiento
Una bomba de calor por compresión emplea un fluido refrigerante con un bajo
punto de ebullición. Este fluido se hace pasar por un compresor, que eleva su
presión y aumenta con ello su temperatura .Una vez comprimido el fluido
refrigerante, pasa por un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ahí
cede calor al foco caliente, dado que el fluido refrigerante ha salido del
compresor, a mayor temperatura que ese foco caliente. Al enfriarse el fluido en
el condensador, cambia su estado a líquido. A la salida del condensador,
comprimido, atraviesa una válvula de expansión, lo cual supone una brusca
caída de presión. Al disminuir la presión, el fluido se enfría bruscamente y
además empieza a evaporarse. En el intercambiador de calor llamado
evaporador que hay después de la válvula de expansión, el fluido se evapora,
absorbiendo calor del foco frío, puesto que está más frío que dicho foco. El fluido
evaporado regresa al compresor, cerrándose el ciclo.
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El principio de funcionamiento en cuatro pasos

En el primer paso se comprime un fluido refrigerante con un compresor.
Según la Ley de Gay-Lussac la presión es proporcional a la temperatura
absoluta, luego cuando se comprime un gas aumenta su temperatura.

Ese fluido caliente se hace pasar por un intercambiador, llamado
condensador, en el que el fluido cede su calor (al llamado foco o fuente
caliente) y al enfriarse, se condensa parcialmente, pasando del estado
gaseoso a estado líquido.

A continuación se hace pasar el fluido, todavía a presión, por una válvula
de expansión (que consiste en un dispositivo con una gran pérdida de
carga) en el que el fluido pierde presión (carga) bruscamente y por lo tanto
se enfría también bruscamente.

Finalmente pasa por otro intercambiador, situado en la fuente fría, y
llamado evaporador en el que absorbe calor de nuevo, para volver a
reiniciar el ciclo en el compresor.
Tipos de bombas de calor
Las bombas de calor pueden estratificarse de diferentes maneras dependiendo
la concepción desde la cual partamos.
Podremos calificarlas por las fuentes que las misma intercambia como puede ser
el traslado de calor del aire al agua, su funcionamiento variable, calefaccionado
o refrigerando según el cliente lo disponga, el tipo de ciclo o proceso que se ve
ingerido dentro de la bomba de calor para generar el traspaso calórico de un
elemento a otro, o el tipo de energía que mueve su sistema.
Estratificando las bombas de calor
En primer lugar debemos aplicar una diferencia general entre dos tipos de
bombas de calor, hablamos de las bombas de calor de tipo refrigerante o
calefactor, y las de tipo reversible las cuales son capaces de refrigerar o
calefacción dependiendo las necesidades del cliente.
El proceso es el mismo pero en diferentes sentidos, el refrigerante entregara
calor o lo liberara dependiendo el sentido que el mismo recorra dentro del
sistema definido por la bomba de calor, esto se logra por medio de las
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denominadas válvulas de 4 vías, las cuales son capaces de re direccionar el
fluido refrigerante, liberando calor al interior y cediéndolo al exterior o viceversa
El tipo de energía que mueve nuestro sistema también genera variables entre
los tipos de bombas de calor existentes es así que encontramos.
 Bombas de calor movidas a gas: El sistema es similar al anterior con la
única diferencia que el trabajo mecánico es generado por la
implementación de gas natural.
 Bombas de calor de compresión mecánica accionada por motor
eléctrico: Aquí es la energía eléctrica convencional la que mueve nuestro
sistema.
 Bombas de calor de compresión mecánica solar: Este tipo de bombas
de calor son movidas por un motor eléctrico el cual se alimenta de baterías
que son cargadas mediante energía solar, en caso de no disponer de la
carga suficiente generalmente las mismas recurren a la energía eléctrica
como solución alternativa.
Bombas industriales
En el caso de las aplicaciones industriales se generan nuevas diferencias y
discriminaciones en el universo de las bombas de calor las cuales podremos
diferenciarlas de la siguiente manera.
Ciclo de compresión cerrado: Las bombas de calor de ciclo de compresión
cerrado manejan el fluido circulante en su interior y responsable de la liberación
o entrega de calor a temperaturas de 120º C.
Ciclo de compresión abierto: Estas bombas de calor, no requieren calentar el
fluido para lograr que mismo cambie de estado, seda o libere calor, sino que el
mismo simplemente es manipulado a nivel de su presión, haciendo que a mayor
presión se caliente por sí mismo evolucionando en lo que los técnicos denominan
ciclo de compresión abierto o MVR.
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Clasificación por tipo de bomba
Por ultimo podremos estratificar las bombas de calor dependiendo los elementos
que intervienen en el intercambio calórico es así que encontraremos bombas de
calor de los siguientes tipos.
Bombas de calor aire-agua: Las mismas absorben el aire del ambiente, y
generan un intercambio entre el mismo y el agua, restando calor al ambiente y
entregándoselo al líquido.
Bombas de calor aire-aire: Estas bombas de calor puede aprovechar el
intercambio entre dos elementos iguales generando la liberación o ganancia de
calor entre un recinto cerrado y el exterior, genialmente son las que encontramos
en funcionamiento en los climatizadores de ambiente.
Bombas de calor agua-agua: Requiere de algunas características como la
existencia de aguas subterráneas las cuales tienen una temperatura constante
de entre 7 º C y 12 º C todo el año, la bomba intercambia calor entre esta agua
subterránea y la red de agua de la casa.
Bomba de calor geotérmica: Más costosas que sus competidoras estas
bombas de calor extraen el calor contenido en el subsuelo, requieren de grandes
dimensiones y una compleja instalación, luego de su puesta a punto generan
mayor rentabilidad que cualquier otra pero su precio y requisitos son sus
condicionantes.
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4. MATERIALES Y TECNICAS UTILIZADAS i
4.1 TÉCNICAS UTILIZADAS
Observación:
Este método lo utilizamos desde el inicio y hasta el último día de nuestra
ejecución del trabajo, preguntándonos, con que contaban, y que necesitaban.
Este método prevaleció más sobre las demás que utilizamos.
Internet:
La información al alcance de la mano, el Internet también fue parte de nuestras
herramientas para nuestra recolección de datos.
Experimentación
Es un procedimiento que permite llegar a la verdad objetiva de los fenómenos a
través de procesos de experimentación
Materiales.
Alambre
Lata de una bebida gaseosa
Agua
Vela
Fosforo
Soporte
Cataviento
4.2 DESARROLLO
 Primero recolecte todos los materiales utilizados para la
experimentación
 Luego realice la respectiva elaboración de una base de soporte
con el alambre
 Luego con la lata le añadí el agua hasta que se pusiera en el
punto de ebullición
 Después una vez hirviendo el agua a una altura coloque el
cataviento esperando así que moviera
 Por lo que al moverse realizo un trabajo efectivo
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5. RESULTADO
Un experimento que nos ayuda a visualizar con mejor precisión en que cosiste
una maquina térmica y una bomba de calor a través de un procedimiento.
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6. CONCLUSIÓN
En conclusión todo este proceso de experimentación nos ayudó a conocer de
cómo está compuesta una maquina térmica y una bomba de calor a través de
todas las investigaciones además de experimentar procesos que nos ayudan a
mejorar como estudiante.
Nos ayudó a conocer la eficiencia que tiene una maquina térmica debido a que
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, es imposible construir una
maquina térmica que transforme en trabajo todo el calor suministrado. Esta
limitación de las maquinas térmicas, cuya eficiencia nunca podrá ser del 100%,
se debe que la mayor parte del calor proporcionado en lugar de convertirse en
trabajo mecánico se disipa a la atmósfera.
Podemos concluir que una bomba de calor se caracteriza normalmente por un
coeficiente de rendimiento (COP), que es el número de unidades de energía
entregada al foco caliente, por unidad de trabajo de entrada
7. RECOMENDACIONES
 Se recomienda tener en cuenta toda la conceptualización necesaria para
la experimentación del tema
 En este trabajo se requiere tener conocimientos del tema a través de
investigaciones previas
 Se recomienda tomar en cuenta todos los materiales hacer utilizados
durante el proceso
 Y se recomienda para el experimento tener en cuenta que el agua este en
su punto de ebullición
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8. BIBLIOGRAFÍA
(s.f.). Obtenido de http://www.solarweb.net/forosolar/solar-termica/601-bombacalor-solar-termica.html
(s.f.). Obtenido de http://www.monografias.com/trabajos64/maquinastermicas/maquinas-termicas.shtml
Anonimo. (s.f.). Obtenido de
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/
maquinas.html
Arrègle, J. (s.f.). Procesos y tecnología de máquinas y motores térmico.
Obtenido de http://books.google.es/books?id=DExo1KyDnckC
Fisica futuro. (s.f.). Obtenido de
http://fisicafuturodevida.blogspot.com/2012/02/maquinas-termicas.html
9. ANEXOS
https://www.youtube.com/watch?v=NKDB-AFVUt8
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Índice
1.
INTRODUCCCION ................................................................................................ 2
2.
OBJETIVOS .......................................................................................................... 3
2.1 Objetivo General………………………………………………………………........ 3
2.2 Objetivo Específicos……………………………………………………………………..3
3.
MARCO TEORICO. ............................................................................................... 4
3.1 Termodinámica………………………………………………………………...............4
3.2 Maquinas térmicas …………………………………………………………………….5
3.3 Bombas de Calor……………………………………………………………………….8
4.
MATERIALES Y TECNICAS UTILIZADAS ........................................................ 12
5.
RESULTADO ...................................................................................................... 13
6.
CONCLUSIÓN..................................................................................................... 14
7.
RECOMENDACIONES........................................................................................ 14
8.
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 15
9.
ANEXOS ........................................................................................................... 155
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