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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-bomba-

calor-solar-termica.html

(s.f.). Obtenido de http://www.monografias.com/trabajos64/maquinas-

termicas/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