Eficiencia de una Máquina de Calor (Estudio detallado) (Fiz0211)

Eficiencia de una Máquina de Calor (Estudio detallado)

Introducción

En esta experiencia se determinará la eficiencia actual y la eficiencia de Carnot de la máquina de calor. Ud. Compensará las pérdidas de energía para demostrar que la eficiencia actual compensada se aproxima a la eficiencia de Carnot.

Para obtener los datos necesarios, se trabajará con un Aparato de Eficiencia Térmica de 4 diferentes modos

* Modo Máquina de Calor: Para determinar la eficiencia actual y la eficiencia de Carnot.

* Modo Abierto: Para determinar las pérdidas debido a la conducción y radiación

* Modo Bomba de Calor y Modo Bomba de Calor invertida: Para determinar las pérdidas debido a la resistencia interna del aparato peltier.

Materiales

- Aparato de Eficiencia Térmica PASCO TD-8564

- 2 Fuentes de Poder

- de hielo y mezcla de agua-hielo

- Ohmetro

- 2 Amperímetro

- 2 Voltímetros

- Conectores

Montaje Experimental

i) Ponga ambos tubos de goma del aparato en la mezcla de agua-hielo.

ii) Conecte el transformador de a los y a la bomba del aparato de eficiencia térmica.

iii) Debería ahora oír funcionar la bomba, con el sonido del agua que viene por la manguera que indica “out”.

iv) Conecte el ohmetro en los terminales del termistor.

Procedimiento

Modo Máquina Térmica con carga de .

1) Conecte a la fuente de poder un voltímetro y un amperímetro y luego a los terminales del lado caliente. Encienda la fuente y seleccione un voltaje de . esto es justo un valor sugerido elegido para proporcionar casi la temperatura caliente máxima permitida. Cualquier voltaje menor de es conveniente. El aparato de eficiencia térmica no debe funcionar por mas de 5 minutos por el lado caliente con temperaturas sobre los . El interruptor térmico cortará la corriente del lado caliente si éste excede los , para prevenir daños en el aparato.

2) Conecte el resistor de carga de , con un cable corto, como lo indica la figura. Conecte el voltímetro a través del resistor de carga. La elección del resistor de es arbitraria. Puede ser usada algunas de las resistencias

3) Deje el sistema en equilibrio, tal que las temperaturas frías y calientes permanezcan constantes. Esto puede llevar de 5 a 10 min., dependiendo del comienzo de las temperaturas.

4) Para subir la velocidad del proceso, aumente el voltaje momentáneamente a través de la resistencia caliente y entonces vuelva a la puesta original. Si desea enfriar el lado caliente el voltaje se puede disminuir momentáneamente. Recuerde que la resistencia del termistor baja así como aumenta la temperatura.

5) Mida la resistencia de la temperatura, del lado caliente y el lado frío, usando el interruptor atravesado, a la conexión del ohmetro. Registre las lecturas en la tabla 1. Convierta las resistencias a temperatura usando el cuadro en el frontis del aparato, y registre esas temperaturas también.

6) Registre el voltaje a través del resistor caliente (), a través de la corriente () y a través del voltaje de la resistencia () en la tabla 1

Modo Abierto

Ver figura 1

1) Desconecte los conectores del resistor de carga de tal modo que no circule corriente a través de ésta y no se esté haciendo así ningún trabajo. Ahora toda la potencia entregada al resistor caliente se conduce al lado frío o se irradia lejos.

2) Disminuya el voltaje aplicado al lado caliente de tal modo que el sistema permanezca en equilibrio a la misma temperatura como en el modo Máquina térmica. Ya que la diferencia de temperatura es la misma que cuando la máquina de calor está realizando trabajo, la misma cantidad de calor está ahora siendo conducida a través del aparato Peltier como cuando había carga. (Puede que no sea posible igualar exactamente la temperatura fría anterior, pero asegúrese que la diferencia de temperatura sea la misma)

3) Registre las mediciones de las resistencias en la tabla 1 y conviértalas a grados. También registre y .

Modo Bomba Térmica ( Bombeando calor del lado frío al lado caliente)

Ver figura 2

1) Desconecte la fuente de poder del resistor caliente y conecte directamente a través del aparato Peltier sin resistencia de carga, ver figura 2.

2) Conecte un amperímetro y un voltímetro a la fuente de poder.

3) Aumente el voltaje hasta alcanzar el equilibrio a la misma temperatura caliente de antes. El lado caliente está siendo calentado por la bomba térmica del lado frío mas que por el resistor del calentador.

4) Registre las resistencias y conviértalas en grados. También registre el voltaje y la corriente .

Bomba térmica invertida (bombeando calor del lado caliente al frio)

1) Invierta los cables de la fuente de poder a través del aparato Peltier de modo que la corriente circule al revés a través del aparato y el calor sea bombeado del lado caliente al lado frío.

2) El calor está ahora siendo bombeado del lado caliente, por lo tanto es necesario calentar el lado caliente con el resistor del calentador para mantener la misma temperatura.

3) Ajuste el voltaje a través del dispositivo Peltier hasta que la corriente circule al revés a través del el dispositivo igual que la corriente usada en la bomba.

4) Fije la corriente, ajuste el voltaje aplicado al lado caliente de modo que el dispositivo mantenga el equilibrio a la misma temperatura que antes.

5) Compruebe que la corriente no haya cambiado y registre la resistencia cuando la temperatura esté en equilibrio. No es necesario convertir esas resistencias en grados ya que no se usarán para cálculos directos.

6) Registre los voltajes y la corriente en la tabla 1.

Cálculos

Eficiencia Actual :Calcule la eficiencia actual de la máquina térmica usando , donde y . Registre las potencias en la tabla 2 y las eficiencias en la tabla 3.

Eficiencia de Carnot : Convierta la temperatura de la máquina térmica a Kelvin y registre los valores en la tabla 3. Calcule la eficiencia de Carnot (máxima) usando las temperaturas y registre en la tabla 2.

Eficiencia Ajustada : El propósito de los cálculos siguientes es dar cuenta de todas las pérdidas de energía y ajustar la eficiencia actual de modo que sea igual a la eficiencia de Carnot.

El trabajo hecho en los cálculos de la eficiencia actual incluyen solo para la potencia disipada por el resistor de carga. Para explicar el trabajo hecho por el dispositivo, se podría incluir para la potencia disipada por la resistencia interna del dispositivo Peltier. Este calentamiento Joule del dispositivo Peltier no está incluido en la eficiencia actual por que el trabajo no es útil. Por lo tanto en la eficiencia ajustada el trabajo total hecho en términos de potencia es:

El calor de entrada también puede ser ajustado. Ph, el calor que es extraído del depósito caliente y usado por la máquina térmica para hacer trabajo, considera solamente parte del calor que sale del depósito caliente. El calor adicional es irradiado hacia afuera o conducido directamente a través del dispositivo Peltier al depósito frío sin ser utilizado para hacer trabajo.

La cantidad de calor que se pierde por radiación y conducción depende solamente de las temperaturas operantes de los depósitos fríos y calientes. No importa si el motor de calor está haciendo el trabajo o no (importa que la resistencia de carga esté conectada). Por lo tanto, éste es el calor perdido que no debe ser incluido como parte de la entrada del calor en la eficacia ajustada. Entonces:

Donde es la potencia perdida debido a la radiación y conducción. Para medir el aparato de eficiencia térmica primero opera como maquina térmica, y es medido. La carga del resistor fue desconectada (Modo abierto), por lo tanto no se realizó trabajo. La potencia de entrada del depósito caliente fue ajustada para mantener la diferencia de temperatura al mismo nivel (se necesita menos potencia cuando no hay trabajo ya que menos calor está siendo sacado del depósito caliente). La potencia de entrada al resistor del calentador en el depósito caliente fue medido. Este valor es , la potencia de entrada en el depósito caliente cuando no hay trabajo está dada por:

Ya que no hay trabajo hecho y que el depósito caliente está siendo mantenido a una temperatura en equilibrio, el calor que entra al depósito caliente a través del resistor del calentador puede ser igual al calor que fue radiado y conducido hacia afuera. Por lo tanto las pérdidas de calor debido a la radiación y conducción eran en parte igual a . Se asume que esta pérdida es la misma que cuando hay carga y el trabajo es hecho por la maquina térmica.

Entonces, considerando las pérdidas obvias, la eficiencia ajustada debe igualar la eficiencia de carnot que no asume ninguna pérdida de energía. La eficiencia ajustada es:

a) Calcule la resistencia interna, , usando la ecuación :

Registre el valor encontrado en la tabla 2

b) Calcule la eficiencia ajustada y registre el resultado en la tabla 3. Calcule el porcentaje de diferencia entre la eficiencia ajustada y la eficiencia de Carnot (máxima). Registre en la tabla 3.

Preguntas

• Así como la diferencia entre la temperatura del lado caliente y del lado frío disminuye, ¿la eficiencia máxima aumenta o disminuye?

• La eficiencia actual de la máquina térmica es muy es muy baja pero las máquinas térmicas de este tipo se utilizan extensivamente en áreas alejadas para hacer funcionar cosas. ¿ Cómo puede un dispositivo tan ineficaz ser de uso práctico?.

• Calcule la razón de cambio en la entropía para el sistema el cual incluye los depósitos caliente y frío. Ya que los depósitos están a temperatura constante, la razón de cambio en la entropía es:

Tabla 1

Tabla 2: Valores calculados por gráficos

Tabla 3