Eficiencia de una Máquina de Calor y Diferencias de Temperaturas (Fiz0211)
Contents |
Eficiencia de una Máquina de Calor y Diferencias de Temperaturas
Objetivo
Determinar la eficiencia actual y la eficiencia de Carnot de una máquina de calor en función de las temperaturas operantes.
Materiales
- Aparato de Eficiencia Térmica PASCO TD-8564
- Fuente de Poder
- de hielo y mezcla de agua-hielo
- Ohmetro
- Amperímetro
- 2 Voltímetros
- Conectores
Introducción
En esta experiencia se usará una máquina de calor que convierte energía térmica en trabajo. Primero es extraído calor de una reserva caliente, parte del calor es usado para desarrollar trabajo y el resto es depositado en una reserva fría. Gráficamente se puede observar esto en la figura 1.
Donde:
: temperatura del depósito caliente.
: temperatura del depósito frío.
: calor extraído del depósito caliente.
: calor eliminado al depósito frío.
: trabajo desarrollado.
Por conservación de la energía :
O sea el calor que entra en la máquina es igual al trabajo dado mas el calor eliminado a la reserva fría.
La eficiencia de una máquina a calor se define como el trabajo desarrollado dividido por el calor que es extraído de la fuente caliente;
Si la eficiencia de una máquina fuera del 100% , no se requeriría de una reserva fría, y la energía no se derrocharía.
Carnot demostró que la reserva fría es siempre requerida y que la máxima eficiencia teórica de una máquina a calor depende solo de la temperatura de las dos reservas:
donde las temperaturas son medidas en Kelvin.
Existen otras limitaciones para la eficiencia de una máquina. En una máquina de calor real es siempre inevitable pérdidas de energía, ya sea por fricción, conducción del calor, radiación, etc. esas pérdidas reducen la eficiencia. Estas son consideraciones que dependen del mecanismo interno con el cual operan las máquinas.
En resumen todas las maquinas de calor pueden operar entre 2 temperaturas las cuales limitan la eficiencia de la máquina.
Aparato de Eficiencia Térmica TD-8564
Un diagrama de eficiencia térmica operando como máquina de calor se muestra en la figura 2. El elemento clave de la maquina de calor es un convertidor termoeléctrico, conocido como Aparato Peltier, el cual convierte calor en energía eléctrica y viceversa.
El aparato Peltier opera entre dos temperaturas fijas. En una máquina ideal de calor las temperaturas fijas son mantenidas en grandes depósitos fríos y calientes, como son tan grandes el calor puede ser agregado o quitado de ellas sin producir cambios en las temperaturas.
Para simular esta condición ,el mecanismo Peltier en un aparato de eficiencia térmica es empotrado entre dos bloques de aluminio. Un bloque es mantenido a fría constante a través de una bomba de agua. El otro bloque es calentado a
constante usando una fuente calentadora. Las temperaturas
y
son medidas con termistores que están puestos en los bloques de aluminio.
La tabla de conversión de resistencia a temperatura está puesta en la base del aparato de eficiencia térmica.
La entrada de calor a la máquina , será medida monitoreando el voltaje y la corriente de entrada al calentador que calienta el bloque de aluminio:
.
El trabajo desarrollado por el motor es la energía eléctrica producida por el aparato Peltier. El aparato conduce una corriente a través de la resistencia , de ésta manera el trabajo es finalmente convertido en calor en la resistencia.
Midiendo el voltaje a través de la resistencia, el trabajo desarrollado por el aparato se expresa como :
Luego la eficiencia real del aparato Peltier se calcula como :
Montaje Experimental
Observe el circuito de la figura 3:
- i) Ponga ambos tubos de goma del aparato en la mezcla de agua-hielo.
- ii) Enchufe 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.
- v) Conecte la fuente DC, a un voltímetro y a un amperímetro a los terminales del bloque calentador. Ajuste el voltaje a
.
| NOTA: El voltaje sugerido (
|
| Precaución: El aparato de eficiencia térmica podría no funcionar por mas de 5 min. con el lado caliente sobre 80°C. Un switch térmico se cerrará automáticamente, desconectando la corriente del bloque calentador, si excede los 93°C. |
- vi) 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
Procedimiento
- 1) 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.
- 2) Para subir la velocidad del proceso, aumente el voltaje momentáneamente a través de la resistencia caliente y entonces vuelva a la puesta original.
- 3) Mida la resistencia de la temperatura, usando el lado caliente y el lado frío, usando el switch atravesado al switch del ohmetro a cada lado. 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.
- 4) 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.
- 5) Baje el voltaje a través del resistor caliente cerca de los
.
- 6)Repita los pasos (1) hasta el (5) hasta que haya coleccionado los datos para 5 diferentes temperaturas.
Análisis
- a) Para cada uno de los datos obtenidos, calcule la potencia suministrada
, y la potencia usada por la resistencia
. Registre los valores en la tabla 1.
- b) Calcule la eficiencia actual de las potencias y registre los resultados en la tabla 2.
- c) Convierta las mediciones de temperatura a
y calcule la eficiencia de Carnot (máxima). Registre los valores en la tabla 2.
- d) Grafique
versus
. y
.
Preguntas
- La eficiencia de Carnot es la máxima eficiencia posible para una diferencia de temperatura dada.Según el gráfico , ¿la eficiencia actual es siempre menor que la eficiencia de Carnot?
- ¿La eficiencia de Carnot aumenta o disminuye si la diferencia de temperatura disminuye?. Explique
- ¿La eficiencia actual aumenta o disminuye si la diferencia de temperatura disminuye?. Explique
- La eficiencia de Carnot representa la mejor maquina de calor. Si la máquina de calor no es perfecta, la eficiencia actual será un porcentaje de la eficiencia de Carnot. La eficiencia total (actual) de una maquina de calor real depende de la capacidad de la máquina de usar la energía disponible y de la máxima energía disponible para usar. De los datos tomados ¿Cuál es el porcentaje de la energía disponible usada en esta máquina de calor?.
