Este proyecto busca desarrollar e implementar un sensor ultrasónico para medir el nivel de fluidos en tanques de almacenamiento de la industria láctea. El objetivo es optimizar el control de inventario, reducir el desperdicio, mejorar la eficiencia y garantizar la calidad del producto.
El proyecto se desarrollará desde la selección del sensor ultrasónico en el cual se analizarán las características técnicas de diferentes sensores para elegir el más adecuado para la aplicación en la industria láctea. Luego se desarrolló el sistema de medición, en el cual se definirá la ubicación del sensor, la forma de montaje y la conexión con el sistema de control. Después se desarrolló el software,
programando el software para la adquisición de datos, el procesamiento de señales y la visualización del nivel de agua. Luego se hizo pruebas y calibración, para verificar la precisión y confiabilidad del sistema. Posteriormente se instaló el sistema en un tanque de almacenamiento real y se evaluará su rendimiento en condiciones de operación. Esperando que el sistema de medición proporcione una medición precisa y confiable del nivel de agua en tiempo real, lo que permitirá optimizar el control de inventario, reducir el desperdicio, mejorar la eficiencia en la gestión del agua y mejorar la calidad del producto final.
JUSTIFICACIÓN
El agua es un recurso vital para la humanidad. Su medición y control es esencial para garantizar su disponibilidad y calidad. Los sensores ultrasónicos son una tecnología de medición de nivel de agua ampliamente utilizada debido a su precisión, confiabilidad, y bajo costo. Sin embargo, su desempeño puede verse afectado por diferentes condiciones ambientales, como la temperatura, la turbidez,y la presencia de burbujas.
El objetivo de este proyecto es desarrollar un sensor ultrasónico que sea preciso y confiable en diferentes condiciones ambientales. Para ello, se analizará el principio de funcionamiento de los sensores ultrasónicos para la medición del nivel de leche (para nuestro proyecto de prueba utilizaremos agua). Se diseñará un sensor ultrasónico que cumpla con los requisitos de precisión y confiabilidad. Se implementará el sensor ultrasónico en un sistema de medición de "nivel de agua". Y se evaluará el desempeño del sensor ultrasónico en diferentes condiciones ambientales.
La consecución de este objetivo tendrá un impacto positivo en una amplia gama de aplicaciones, como la medición del nivel de agua en tanques, reservorios y ríos. Por ejemplo, el sensor ultrasónico desarrollado podría ser utilizado para:
Controlar el nivel de agua en tanques de almacenamiento para garantizar su disponibilidad.
Detectar fugas de agua en sistemas de tuberías.
Monitorear el nivel de agua en ríos y lagos para prevenir inundaciones.
Por lo tanto, la elaboración e implementación de un sensor ultrasónico para medir el nivel de agua con precisión y confiabilidad en diferentes condiciones ambientales es un proyecto que tiene un alto potencial de impacto social y económico.
INTRODUCCIÓN
La industria actual se encuentra en una constante búsqueda por optimizar sus procesos para aumentar la eficiencia y reducir costos. La transferencia de líquidos se presenta como un área con un gran potencial de mejora, ya que representa un eslabón fundamental en diversos sectores industriales, como la alimentaria, la farmacéutica, la química y la petroquímica. Los métodos tradicionales de bombeo, como las bombas centrífugas o de desplazamiento positivo, si bien han sido utilizados durante décadas, presentan ciertas limitaciones que afectan negativamente la eficiencia, el consumo de energía, el mantenimiento, la precisión y la versatilidad en la transferencia de líquidos.
En este contexto, el sensor ultrasónico surge como una alternativa innovadora y disruptiva. Este proyecto se propone el diseño, construcción e implementación de un sensor ultrasónico en la transferencia de líquidos en la industria.
El desarrollo de esta bomba de succión con sensor ultrasónico representa un avance significativo en el campo de la ingeniería industrial. Esta tecnología innovadora tiene el potencial de transformar la forma en que se transfieren líquidos en la industria, impulsando la eficiencia, la productividad, la seguridad, la higiene y la rentabilidad en diversos sectores industriales. Este proyecto no solo busca contribuir al avance tecnológico y al desarrollo de la industria, sino también a la creación de una industria más eficiente, sostenible y segura. La bomba de succión con sensor ultrasónico se perfila como una solución innovadora con un gran potencial para revolucionar la industria. Este proyecto se propone demostrar su viabilidad y su impacto positivo en la eficiencia, la productividad y la rentabilidad de los procesos industriales, abriendo camino hacia un futuro industrial más eficiente, sostenible y seguro.
MATERIALES Y MÉTODOS
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES
PROCEDIMIENTO
CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
La bomba de succión de lácteos automática puede contribuir a la reducción del consumo de agua y energía en la agroindustria.
La disminución de la mano de obra también puede tener un impacto positivo en el medio ambiente al reducir las emisiones de carbono asociadas con el transporte.
La bomba de succión de lácteos automática puede mejorar las condiciones de trabajo de los ganaderos al reducir el esfuerzo físico y la exposición a riesgos de salud.
La tecnología también puede aumentar la productividad y los ingresos de los pequeños productores de leche.
La bomba de succión de lácteos automática es una tecnología escalable que puede adaptarse a diferentes tamaños de ganaderías.
La tecnología también puede ser utilizada en otras industrias que requieren el manejo de líquidos viscosos, como la industria alimentaria y la farmacéutica.
Es importante considerar el impacto de la bomba de succión de lácteos automática en el bienestar animal.
En general, la bomba de succión automática presenta un alto potencial para la agroindustria. La tecnología ofrece una serie de beneficios para los productores de leche, como mayor eficiencia, reducción de costos, mejora del bienestar animal y menor impacto ambiental.
Uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan los
ingenieros de hoy en día, es encontrar nuevas alternativas energéticas
confiables de las que se pueda depender en un futuro cercano. Muchos avances se
han hecho en el campo, nuevas tecnologías se han creado y otras se han dejado
de lado por no ser aplicables en su tiempo. Este proyecto se enfoca a uno de
estos últimos, el ciclo de Stirling, descubierto hace cerca de 200 años por un
reverendo escocés en búsqueda de una alternativa más eficiente y segura a las
máquinas de vapor de la época. La situación actual en Perú y el mundo llevan a
tomar nuevamente el camino de Robert Stirling, innovando con elementos ya
existentes en aplicaciones que requieren de una alternativa a las soluciones
convencionales.
En este presente trabajo aprendemos a fabricar un
motor Stirling, el cual se define como una máquina que convierte trabajo en
calor y viceversa, a través de un ciclo termodinámico, con compresión y
expansiones cíclicas del fluido de trabajo. El motor Stirling que fabricamos es
un motor tipo Beta, que genera trabajo a
partir de diferencias temperaturas. Una de las ventajas del motor Stirling es
la combustión externa y no hay explosión por lo que el motor es extremadamente
silencioso y libre de vibraciones. Hoy en día se utiliza estos motores para
generar calor, para impulsar cosas y aproximadamente como motores en
automóviles híbridos, existen aún pocas aplicaciones
comerciales y muchos proyectos de investigación, es por estas cosas que el
motor Stirling es muy útil.
OBJETIVOS
General
Construir un Motor Stirling usando materiales caseros.
Específicos
Estudiar y evaluar el funcionamiento del motor Stirling.
Aplicar la Segunda Ley de la Termodinámica en la fabricación del motor Stirling casero.
Dar a conocer un mecanismo que permita generar energía a partir de calor.
Mostrar la reutilización del
material reciclable para crear un
mecanismo el cual genere energía.
ANTECEDENTES
El motor Stirling fue inventado en 1816 por el
reverendo Robert Stirling (1790-1878) en Escocia, unos ochenta años antes de la
invención del motor diésel y unos cuarenta años después de la construcción de
la máquina de vapor de James Watt (1736 – 1819). La búsqueda de potencia en las
máquinas de vapor condujo al desarrollo de calderas de alta presión, sin
embargo tenían el problema de que explotaban con facilidad. Motivado por la
resolución de dicho problema, Stirling diseñó un motor más simple y eficiente
que una máquina de vapor. Este no necesitaba válvulas que regulasen el paso del
fluido y obtenía mayor cantidad de trabajo con la misma cantidad de calor
aportado. Mejoró la eficiencia gracias al economizador, dispositivo que
intercambia calor, posteriormente llamado regenerador. El economizador permitía
almacenar una cantidad de calor en una de las fases de ciclo y devolverlo al
mismo en otro punto del ciclo (Pascual Toledano, 2013).
Un motor Stirling es un motor térmico operando por
compresión y expansión cíclica de aire u otro gas, el llamado fluido de
trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce una
conversión neta de energía calorífica a energía mecánica.1 2 O más
específicamente, un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo con un fluido
gaseoso permanente, donde el ciclo cerrado es definido como un sistema
termodinámico en el cual el fluido está permanentemente contenido en el
sistema, y regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambio de
calor y almacenamiento térmico, conocido como el regenerador. Esta inclusión de
un regenerador es lo que diferencia a los motores Stirling de otros motores de
ciclo cerrado.
El motor Stirling fue inventado en 1816 por el
Reverendo escocés Robert Stirling quien lo concibió como un primer motor
diseñado para rivalizar con el motor de vapor, en la práctica su uso se redujo
a aplicaciones domésticas por casi un siglo.3 Los motores Stirling tienen una
alta eficiencia, si se los compara con los motores de vapor,4 y gran facilidad
para ser aplicados a cualquier fuente de calor. Estas ventajas están haciendo
que vuelva a tener interés este tipo de motores, y su aplicación en sistemas
captadores de energías renovables.
Los llamaban motores de "Aire caliente", o
"Motores Caloríficos". La máquina de vapor, la conoce toda la gente.
Está presente en todas las enciclopedias y manuales. Los motores de gasolina y
los de Diesel son triunfadores indiscutibles. Pero un periodo de historia del
motor térmico, que era una fase intermediaria en la metamorfosis de la máquina
de vapor a las máquinas de gasolina y de fuel, el motor de aire caliente, se ha
hecho invisible, como si no estuviese jamás.
Cuando la radio firma PHILIPS, Eindhoven, Holanda,
buscaba para sus aparatosos de radio y emisoras para el ejército una fuente
silenciosa de alimentación, es cuando ha sido descubierto el "Mundo
perdido", cuando encontraron en los archivos las descripciones y las
patentes de uno motores de aire caliente. Ésta época, desde el año 1934, la
llamaremos Renacimiento. Con renacimiento y desarrollo contemporáneo de los
motores de aire caliente, ahora llamados motores de Stirling, las sorpresas no
han terminado. Según uno de los mejores historiadores del tema: Dr. T.
Finkelstein, , una vez por error o por curiosidad, uno de los técnicos del
laboratorio Philips ha puesto en marcha el motor eléctrico, que era el freno
para tomar las características del Stirling, obligando el eje del motor a
girar. Pues, la cabeza del motor, su parte caliente, donde se sitúa el
desplazados, se ha cubierto de escarche, se ha puesto fría. Era el año 1954.
Éste fenómeno ha confirmado que la maquina Stirling es fácilmente reversible y
Philips empezó la segunda línea de investigación paralela sobre las maquinas
criogénicas.
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse
(teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como
rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos
se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de
coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a
igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.
El ciclo teórico de Carnot es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling
real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al Ciclo de Carnot, además
el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su
eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos,
mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales,
conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las
mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes
de calor sin combustión.
Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2
transformaciones isotónicas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante)
y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante)
Existe un elemento adicional al motor, llamado
regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores
rendimientos. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la
función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del
ciclo. El regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica
despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos
zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona
caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.
Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones.
Existe distinta manera denominar estos motores
térmicos: Motores caloríficos, Motores de aire cliente, Motores de Gas, y, por
fin motores de Stirling. La máquina de vapor, como la fuente de energía
mecánica estaba muy desarrollada y ampliamente utilizada ya en el principio del
siglo XIX y era la única fuente de la energía mecánica, si no tener en cuenta
los molinos de agua o de viento. La historia de desarrollo de los motores de
aire caliente demuestra la transformación, que había experimentado la máquina
de vapor, y la ingeniería de motores en general, primero convirtiéndose en el
motor de aire caliente, y después en los motores de combustión interna de Otto,
(gasolina) y de Diesel, (fuel). Los últimos eran el producto de las
transformaciones de petróleo en su desarrollo en diferentes tipos de
combustibles, derivados de fuel, y rápidamente han ocupado, prácticamente todo
el mercado de transporte y otras aplicaciones, expulsando por completo a sus
antepasados, y la máquina de vapor y el motor de aire caliente.
Esta impresionante transformación de la máquina de
vapor, ha empezado primero por el invento de Watt de introducir el condensador
en la salida del cilindro de trabajo, que ha permitido subir el rendimiento de la
máquina y su potencia. El paso siguiente era la introducción de la bomba de
agua condensada para alimentación de la caldera. Esto permitía recuperar el
agua, inyectándola a la caldera cada vez con la presión más alta, siguiendo la
demanda constante de la potencia, que conseguían subiendo la presión en la
caldera. Treviathick con sus invenciones ha elevado la presión aún más, después
de Watt. Con que ha crecido el problema de seguridad. Los ingenieros empezaron
a buscar la forma de sustituir el vapor por el aire. Con cierta seguridad, se
puede imaginar la bomba de alimentación de la máquina de vapor inyectando en
lugar de agua, los productos de combustión, como un cilindro de compresión,
aspirándolos del horno e inyectándolos directamente al cilindro de expansión, o
cilindro principal, cilindro de trabajo. Es decir deshacerse de la caldera de
vapor.
Los libros y revistas de época nos indican, que entre
los primeros inventores, que construyo con el éxito un motor de aire caliente,
era Sir George Caley, en 1807. Parece, que no ha dejado bien escritos sus
inventos. Se conoce que en el 1837, recibe la patente, y bajo esta patente se
inicia la producción de sus motores en "Caloric Engine Compani". Es
muy curioso ver su forma de accionar, es una conexión directa entre el horno
donde se quemaba el carbón y el cilindro. Faltaba un pequeño paso más para
llegar al motor de combustión interna: combustible inyectado o aspirado con el
aire directamente al cilindro. Lo ha hecho más tarde Otto. Después Diesel.
Si observamos la literatura técnica desde el periodo
de inicio los años 1930, ya no encontramos el motor de aire caliente, ninguno
de la gran cantidad y variedad, que existía desde los 1800 hasta 1930. De la
máquina de vapor todavía se sabía algo, las locomotoras de vapor y barcos
todavía se movían por los ferrocarriles y mares. 1955…1960 debe ser el período
de la desaparición completa de la máquina de vapor. Salvo, la turbina de vapor,
con el desarrollo de la energía nuclear, ésta turbina resultó la maquina más
apropiada. Pero volvemos a la época de la máquina de vapor.
En sus primeros tiempos, el motor se usó como fuente
de poder de pequeñas máquinas herramientas y bombas de agua. El notable
inventor sueco John Ericsson diseño y construyó un barco movido con un motor de
esta clase. Por la misma época logró una patente para una bomba de agua
accionada por un motor Stirling que se convirtió rápidamente en un éxito de
ventas entre los granjeros del oeste norteamericano. Incluso hasta las primeras
décadas del siglo XX se vendían ventiladores de mesa que funcionaban con un
pequeño mechero en la parte inferior del aparato. El perfeccionamiento de las
máquinas de vapor, el desarrollo posterior del motor de combustión interna y
años después la difusión de las redes eléctricas le dieron al motor de aire
caliente un golpe del que nunca pudo recuperarse (hasta ahora).
En la década del '60 hubo un resurgimiento en el
interés sobre este tipo de máquinas. Por esos años la empresa Philips
desarrolló un generador portátil de energía eléctrica. Este artefacto generaba
corriente eléctrica a la par que el sistema de refrigeración del aparato
producía agua caliente para uso doméstico. Posteriormente gracias al impulso de
investigación en nuevas fuentes de energía, provocadas por la primera crisis
energética de principios de la década del '70 hubo nuevos avances en este
sentido. En aquellos duros tiempos de surtidores vacíos surgió le necesidad de
encontrar motores alternativos a los tradicionales. Entonces la necesidad,
llevó a algunas compañías automotrices a desarrollar vehículos con motores de
ciclo Stirling, desde el punto de vista energético mucho más eficientes que los
tradicionales y amigos del medio ambiente. Los resultados fueron alentadores,
pero el fin de la escasez petrolera hizo olvidar aquellas ventajas.
Más recientemente se han utilizado máquinas de ciclo
Stirling para generar energía eléctrica a partir de concentradores solares.
Estos ingenios tienen la ventaja de tener el más alto rendimiento en conversión
de la energía calorífica del sol en electricidad en las plantas solares
termoeléctricas.
En el motor de Stirling se realizaban los mismos
procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor,
y el gas era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba
caldera. Fue un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para
pequeñas máquinas de uso doméstico tales como ventiladores, bombas de agua
etc.; su potencia específica no era muy elevada, pero su sencillez y bajo ruido
eran magníficos.
Básicamente, el motor Stirling es un motor de ciclo
cerrado en el que, en un ensayo ideal, el fluido de trabajo, contenido en el
interior del motor, sería desplazado por los pistones del motor a lo largo de
las etapas del ciclo de trabajo. Su fuente de energía puede ser cualquier foco
de calor externo, con lo que puede ser aplicado en multitud de situaciones,
aprovechando el calor residual de origen industrial, la combustión de todo tipo
de materiales, calor solar e incluso el originado en procesos de fisión
nuclear. Dado que la combustión se genera externamente al motor, ésta puede
controlarse a la perfección a través del flujo de energía. Actualmente, en
diversos países desarrollados, estos motores han alcanzado desarrollos
impresionantes, y dentro de algunos años éstos podrían reemplazar a los motores
de combustión interna en diversos usos. Los motores Stirling se usan en
submarinos, en refrigeradores, en automóviles, en plantas de generación de
energía eléctrica, etc.
FUNDAMENTO TEÓRICO
¿QUE ES UN MOTOR STIRLING?
Se
define un motor Stirling como un dispositivo que convierte trabajo en calor
viceversa , a traces de un ciclo termodinámico generativo, con compresión y
expansión cíclicas del flujo de trabajo, operando dicho fluido entre dos
temperaturas la del foco caliente y la del foco frio. Es una maquina combustión
externa, o sea, puede adaptarse a cualquier fuente de energía (combustión convencional
o mixta, por ejemplo, con biomasa y gas, energía solar), sin que ello afecte al
funcionamiento interno del motor.
En términos
simples, es el trabajo mecánico realizado por la expansión (cuando se calienta)
y contracción (cuando se enfría) de un gas en un recinto cerrado
Para
el funcionamiento es necesario disponer de un foco frio y otro caliente, es
decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos
focos.
El
motor cuenta con un mecanismo (desplazador) que hace que el gas (aire) pase de
la zona fría a la zona caliente y luego a la zona fría nuevamente,
produciéndose consecuentemente su tendencia a la expansión y su posterior
contracción.
¿PARA QUE SIRVE?
Los
motores Stirling son máquinas que utilizan calor de origen externo para generar
potencia mecánica. Actualmente se utiliza motores Stirling para generar calor,
para impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles híbridos.
Sus aplicaciones son diversas, incluso existen pequeños motores capaces de
funcionar con la temperatura de la palma de la mano y se han construido
prototipos para corazones artificiales implantarles.
¿COMO FUNCIONA?
El
principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y
contracción de un gas (helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser
obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se
contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es
decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos
focos y se trata de un motor térmico.
Motor Stirling:
Un
motor Stirling es un motor térmico operando por comprensión y expansión cíclica
de aire u otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de
temperaturas tales que se produce una conversión neta de energía calorífica a
energía mecánica, tenemos tres tipos de motores.
- Motores tipo Alfa
- Motores tipo Beta
- Motores tipo Gama
Motores tipo Alfa:
Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.
Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.
Uno de los cilindros se calienta mientras que el otro se enfría mediante aire o agua.
El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.
Motores tipo Beta:
El motor original de Stirling era de este tipo. Consta
de un solo cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de gas, alcohol
etc.), una zona fría (refrigerada por aletas, agua etc.).
En el interior del cilindro está el desplazador cuya
misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.
Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, únicamente
una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro
para permitir el paso del aire.
Motores tipo Gamma:
Este
tipo esta derivado del beta, pero es más sencillo de construir.
Consta
de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en
otro el pistón de potencia.
Los
sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta.
En
este tipo el pistón de potencia es mucho más sencillo de construir ya que es
similar al de un motor de motocicleta. Aquí el pistón y el desplazador
también deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el
cigüeñal adecuado.
Desde
el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta , puesto que
la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.
Estos
son los principales diseños de motores Stirling y los más conocidos, pero
también hay otros tipos conocidos como “Especiales” que daremos a conocer en
otro post.
VARIABLES TERMODINAMICAS
Toda
sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15 °C) emite calor. Si dos
sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas
emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza
cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su
temperatura.
Las
variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se
emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la
naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse
distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de
un gas, estas variables son:
ØMasa (m ó n): es la cantidad de
sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional se expresa
respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles (mol).
ØVolumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En
el Sistema Internacional se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien
el litro (l) no es una unidad del Sistema
Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a metros cúbicos es:
1 l = 10-3 m3.
ØPresión (p): Es la fuerza por unidad de área
aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su superficie. En el
Sistema Internacional se expresa en pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de
presión comúnmente utilizada. Su conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.
ØTemperatura (T ó t): A nivel microscópico la
temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las
moléculas que lo constituyen. Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud
que determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos
se ponen en contacto. En el Sistema Internacional se mide en kelvin (K), aunque
la escala Celsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas
es: T (K) = t (ºC) + 273.
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA:
La
incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a
cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la
termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero
satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos
no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada
entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda
ley de la Termodinámica.
El empleo de la segunda ley de la
termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La
segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La
primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de
una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es
un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios
necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la
energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía
asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y
completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir
en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA:
DEFINICIONES CLASICAS
Definición de Kelvin-Planck:
“Es
imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber
calor de una fuente de temperatura y
convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.
Definición de Clausius
“Es
imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea
transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura
mayor”.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING:
Todos
los motores de ciclo Stirling son motores de “ciclo cerrado”. En estos motores
existen una cantidad fija de aire en el interior, no variando esta ni para
aumentar ni para disminuir. Si se produjese por cualquier causa variación, el
círculo no funcionaría por pérdida de comprensión y por tanto de energía.
El
motor Stirling utiliza un foco caliente para expandir el aire
dentro de el y asi el motor va aumentado el volumen; seguidamente,
utiliza un foco frio para contraer el aire reduciendo el volumen;
esta diferencia de volúmenes activa un pistón el cual ejerce
trabajo al motor y asi poder concluir, como el aire realiza trabajo
al expandirse y contraerse moviendo dicho pistón.
Es
necesaria la presencia de una diferencia de temperatura entre dos focos para
que el motor pueda funcionar por eso se le denomina motor térmico.
MATERIALES
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
- Se dibuja un círculo con el compás con un diámetro de 6 cm
para poder tenerlo como molde.
- Cortamos una de las latas en la parte superior y en la
parte posterior con el molde circular de 6cm de diámetro para poder hacerle un
hueco.
- Cortamos otra lata por la parte superior de todo su
contorno para poderlo usar como base del motor Stirling
- Tomamos un pedazo de alambre de 7 cm y lo envolvemos con un
pedazo de esponjilla de acero en la parte superior del alambre le hacemos una
curvatura y en la inferior doblamos juntándola con la esponja.
- Con otra de las latas de guaraná hacer un corte tanto por
la parte superior como por la parte inferior dejándole un margen de 3cm de
altura luego colocar la esponja ya con el alambre envuelto.
- Con el rayo de la bicicleta de 24 cm hacemos lo siguiente:
Dejamos 7 cm libre luego 2 cm para arriba, 1.8 cm para la parte derecha, 2 cm
para abajo, luego dejamos 4 cm rector, después 1.5 para arriba y finalmente
doblamos y dejamos el metal restante recto.
- Colocamos el rayo de la bicicleta ya moldeado dentro de la
lata con el agujero de 6 cm de diámetro haciéndole pequeños orificios en las
partes laterales superiores para que el metal pueda ingresar, después colocamos
los soportes y le hacemos a la lata dos agujeros en la parte inferior por donde
pasara el tubo y el otro por donde pasara el hilo de pescar y ahí mismo
colocamos el ángulo de 90° al costado
izquierdo de la lata y pasamos a colocarle sus pernos para ajustar.
- En el cartón dúplex hacer 2 círculos con un diámetro de 12
cm estos servirán con contrapeso para poder colocarlo en uno de los extremos
del radio de bicicleta ya moldeado.
- En la parte que sobra del ángulo de noventa colocar una
botella pequeña cortada por la mitad con una altura de 4 cm con un agujero en la
parte inferior derecha por donde colocaremos un tubo de plástico y otro agujero
en medio para ajustarla con un perno y tuerca después de eso tomar un globo y
cortar la colita, dentro del globo hacerle un agujero por donde colocaremos
otro perno con el circulo de metal y la tuerca, después de eso tomamos un
pedazo de alambre de 14 cm
y lo enrollamos alrededor del perno, ahí mismo ponemos una tuerca encima del
alambre para hacer presión, finalmente colocamos en el globo por todo alrededor
de la botella cortada y los aseguramos bien, es así como creamos una pequeña
válvula.
- Amarrar el hilo de pescar en la parte del radio de la
bicicleta pasándolo por el pequeño agujero que hicimos anteriormente luego lo
amarramos con el pistón que es el alambre enrollado con la esponjilla de acero
y el pedazo de lata, ahí mismo con la lata que sirve como base del motor medir
y dejar 1.5 cm de espacio libre tanto en la parte superior como inferior para
que el pistón pueda hacer correctamente su trabajo, en la parte de afuera de la
base hacer un pequeño recipiente donde ira el agua con un pedazo de lata más
grande y por ultima ensamblar todas las demás piezas con los pegamentos
respectivos y dejarlos secar un día entero y como adicional crear un pequeño
hornito con dos latas que será ahí donde colocaremos el mechero para que el
motor Stirling pueda calentarse y funcionar.
