¡Descarga Práctica 4: procesos termodinámicos y más Apuntes en PDF de Termodinámica solo en Docsity!
CICLES
TERMODINÀMICS
Introducció
Una màquina tèrmica és un dispositiu que funciona mitjançant l'extracció d'energia tèrmica des d'un focus calent per la producció de treball mecànic, i el posterior abocament de l'energia tèrmica sobrant (no aprofitable) a un focus fred. Per aconseguir una producció contínua (ininterrompuda) de treball mecànic, l'operació d'una màquina tèrmica es basa en un cicle termodinàmic en el qual un fluid (usualment aigua o gasos de combustió) és sotmès a processos successius d'expansió i compressió.
En aquest experiment, el motor tèrmic consisteix en aire a l'interior d'un cilindre que s'expandeix quan el cilindre se submergeix en aigua calenta. L'expansió de l'aire empeny un pistó i realitza treball mecànic mitjançant l'aixecament d'un pes. El cicle del motor tèrmic es completa mitjançant la immersió del cilindre en aigua freda, que fa que la pressió i el volum de l'aire retornin als seus valors inicials.
Coneixements previs necessaris
1 A^ LLEI DE LA TERMODINÀMICA
CICLE TERMODINÀMIC
INTEGRACIÓ GRÀFICA
Teoria
El rendiment màxim teòric d'una màquina tèrmica depèn només de la temperatura del focus calent, Tc , i la temperatura del focus fred, Tf. Aquest rendiment màxim teòric està donat per:
𝑻𝒄^ )^ [Eq. 4-1]
El rendiment real d’una màquina tèrmica es defineix com:
𝑸𝒆^ [Eq. 4-2]
Sent W el treball mecànic obtingut (net), i Qe la calor subministrada al cicle.
A l'inici del cicle l'aire es manté a temperatura constant (càmera submergida en el focus fred) mentre que una massa es col·loca en la part superior del pistó. Es realitza treball mecànic sobre el gas i es genera una transferència de calor cap a la font freda. L'energia interna del gas no varia ja que la temperatura del gas no canvia. Seguidament subministrem calor al gas, fent que aquest s'expandeixi. L'expansió del gas empeny el pistó cap amunt produint un treball mecànic per l'aixecament de la massa afegida anteriorment. A la tercera part del cicle, la massa és retirada de la part superior del pistó mentre que la cambra de gas es manté dins del focus calent. Es subministra un flux de calor al gas i aquest s'expandeix, realitzant treball mecànic. Al darrer procés del cicle, la calor residual del gas és descarregat en el focus fred, fent que el pistó torni a la seva posició inicial. Aquest procés ocorre a pressió constant.
Materials i equips
Aparell base cilindre - pistó (Fig. [4-1]) o Diàmetre del pistó: 32.5 mm ± 0.1 mm o Massa del pistó i la plataforma: 35.0 g ± 0.06 g Càmera d’aire (Fig. [4-1]) o V = 178 ml Tubing (Fig. [4-1]): o amb vàlvules anti-retorn o amb brida abraçadora o Tubs simples 1 tap de cautxú amb forats 1 suport metàl·lic 1 barra d’acer de 90 cm de longitud 1 joc de masses i penjadors 1 sensor dual de pressió (2 ports de pressió) 1 politja - sensor de desplaçament 1 col·lector de temperatures 2 termoparells 3 USBlinks 2 contenidors plàstics
Figura 4-2. Muntatge experimental.
- Poseu uns 3 litres d'aigua calenta (al voltant de 80 ºC) en un dels contenidors plàstics. Poseu aigua freda amb gel (uns 3 litres) en l'altre contenidor. Amb aquestes quantitats de líquid en els contenidors podem garantir que la temperatura de les fonts freda i calenta romanen constants en la durada d'un experiment.
- Introduïu un termoparell a la font calenta i un altre a la font freda. Verifiqueu que el bulb del termoparell no entri en contacte amb les parets del contenidor o amb els trossos de gel en el cas de la font freda. Connecti el cable del termoparell introduït en la font freda al port 1 del col·lector de temperatures, i el cable del termoparell de la font calenta al port 2.
CONFIGURACIÓ DELS SENSORS
- Obriu el programari Data Studio i creeu un nou experiment.
- Tanqueu totes les visualitzacions gràfiques que s'obren per defecte excepte els visualitzadors de temperatura.
- Aneu al menú Experiment/Set Sampling Options. A la pestanya Manual Sampling, totes les opcions han de estar desactivades. Un cop fet això, feu clic a OK per desar els canvis i tancar la finestra.
- Feu clic a Setup/Configuració , i s’obrirà la finestra de configuració dels sensors (veure exemple a Fig. [4-3]). Els sensors connectats a l’ordinador apareixen llistats a la banda indicada a la Fig. [4-3]. Fent clic sobre cada sensor, apareixeran les opcions de configuració a les pestanyes de sota.
Figura 4-3. Exemple de pantalla de configuració de sensors.
- Aneu a la configuració de cada sensors i ajusteu les següents opcions: a. El sensor de pressió ha de registrar la pressió absoluta [en kPa] des del port 1. La freqüència de mostreig s’ha d’ajustar a 200 Hz. b. Els sensors de temperatura han de registrar les temperatures absolutes [en K] des dels ports 1 i 2. La freqüència de mostreig s’ha d’ajustar a 2 Hz. c. El sensor de desplaçament ha de registrar la posició lineal del pistó fent servir com a base de càlcul la politja de diàmetre mitjà del sensor. La freqüència de mostreig s’ha d’ajustar a 200 Hz.
- Verifiqueu que la captura de dades de posició lineal es correspon amb el desplaçament real del pistó. Per això premeu el botó Start a la part superior de la pantalla. El valor registrat pel sensor de desplaçament hauria d’augmentar quan el pistó puja. Si això es compleix, s’ haurà d'invertir el sentit de gir de la politja del sensor. Un cop fet això
Figura 4-3. Exemple de cicle termodinàmic.
- Exporteu les dades adquirides mitjançant el menú File/Export Data. A la finestra emergent seleccioneu Absolute Pressure vs. Linear Position i deseu les dades a la vostra memòria USB com a Experiment 1.txt. El programari desarà fitxers de text Experiment _1 XX.txt , on XX és la numeració de les sèries experimentals per ordre d’adquisició.
- Exporteu les gràfiques mitjançant el menú Display/Export Picture.
- Esborreu totes les dades mitjançant el menú Experiment/Delete ALL Data Runs.
EFECTE DE LA PRESSIÓ SOBRE EL RENDIMENT TERMODINÀMIC
(EXPERIMENT #2)
- Repetiu el procediment descrit a l’experiment #1 fent servir un pes de 100 g en comptes de 200 g. Porteu a terme 4 repeticions de l’experiment.
- Exporteu les dades adquirides mitjançant el menú File/Export Data. A la finestra emergent seleccioneu Absolute Pressure vs. Linear Position i deseu les dades a la vostra memòria USB com a Experiment 2.txt. El programari desarà fitxers de text Experiment _2 XX.txt , on XX és la numeració de les sèries experimentals per ordre d’adquisició.
- Exporteu les gràfiques mitjançant el menú Display/Export Picture.
- Esborreu totes les dades mitjançant el menú Experiment/Delete ALL Data Runs.
EFECTE DE LA TEMPERATURA SOBRE EL RENDIMENT TERMODINÀMIC
(EXPERIMENT #3)
- Repetiu el procediment descrit a l’experiment #1 amb una temperatura de font calenta de 40 – 50 oC. Per reduir la temperatura de la font calenta cal barrejar l’aigua calenta amb aigua de l’aixeta fins a aconseguir la temperatura desitjada.
- Exporteu les dades adquirides mitjançant el menú File/Export Data. A la finestra emergent seleccioneu Absolute Pressure vs. Linear Position i deseu les dades a la vostra memòria USB com a Experiment 3.txt. El programari desarà fitxers de text Experiment _3 XX.txt , on XX és la numeració de les sèries experimentals per ordre d’adquisició.
- Exporteu les gràfiques mitjançant el menú Display/Export Picture.
- Esborreu totes les dades mitjançant el menú Experiment/Delete ALL Data Runs.
RECOLLIU TOT EL MATERIAL I DEIXEU-LO TAL COM L'HEU TROBAT.
ASSEQUEU EL MATERIAL I L'ÀREA DE TREBALL ABANS DE MARXAR.
Dades experimentals
CICLE DE POTÈNCIA (EXPERIMENT #1)
Rep #1 Rep #2 Rep #3 Rep #
Posició inicial (mm) Temperatura font freda (K) Temperatura font calenta (K)
EFECTE DE LA PRESSIÓ SOBRE EL RENDIMENT TERMODINÀMIC
(EXPERIMENT #2)
Rep #1 Rep #2 Rep #3 Rep #
Posició inicial (mm) Temperatura font freda (K) Temperatura font calenta (K)
- Determineu els rendiments de cicle obtinguts experimentalment i compareu aquests resultats amb els rendiments teòrics (obtinguts amb els resultats analítics) y amb els rendiments teòrics màxims obtinguts amb la Eq. [4-1]. Discutiu els efectes de canvis de pressió o canvis de temperatura sobre el rendiment del cicle.
- Discutiu les diferencies obtingudes entre els rendiments experimentals, analítics i màxims teòrics. Justifiqueu les diferencies de valors obtingudes.
