Carnot y las máquinas térmicas

	Autor: Hernán Ferrari Responsable disciplinar: Silvia Blaustein Área disciplinar: Física Temática: Las máquinas de vapor creadas para producir trabajo mecánico Nivel: Secundario, ciclo básico Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar

Propósitos generales

Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.

Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.

Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.

Introducción a las actividades

Los motores térmicos son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente una combustión, para incrementar la energía de un fluido que luego se aprovecha para obtener energía mecánica.

Los ciclos termodinámicos empleados exigen el uso de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas). Sin él, el grupo motor no puede funcionar y de ahí que en la práctica se denomine motor térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

El ciclo termodinámico realizado por una máquina térmica consta de varios procesos en los que se intercambia energía térmica, energía mecánica o ambas a la vez.

La máquina térmica de Carnot idealizada establece los límites teóricos para el rendimiento que cualquier máquina térmica real puede obtener al trabajar entre un foco caliente y uno frío en función de sus temperaturas.

Objetivo de las actividades

Que los alumnos analicen la cantidad de trabajo mecánico que puede obtenerse utilizando una máquina térmica.

Actividad 1

1. Observen el siguiente video sobre las máquinas térmicas para resolver el cuestionario que aparece a continuación.

a) ¿Qué tipo de máquinas surgieron durante la Revolución Industrial?

b) ¿Qué profesionales son los que diseñan las máquinas que utilizan y ponen en práctica los descubrimientos de los físicos?

c) ¿Quién fue el que mejoró la teoría de la máquina de vapor?

d) ¿Qué transformación física realiza una máquina de vapor, partiendo de, por ejemplo, el carbón como combustible?

e) ¿Cuál fue la mejora que realizó Watt que permitió aumentar la eficiencia de las máquinas de vapor?

f) Mencionen algunas de las partes de una máquina de vapor. ¿Cuál de todas ellas es su parte esencial?

g) Obtengan un par de fotos del diagrama de la máquina de vapor y expliquen el principio de su funcionamiento a lo largo de un ciclo.

2. Realicen un informe con el programa Write de sus equipos portátiles que incluya las distintas respuestas de la actividad y las conclusiones a las que hayan podido arribar.

Actividad 2

1. Observen la segunda parte del video sobre máquinas térmicas y resuelvan el cuestionario.

a) ¿Cuál fue la diferencia entre la búsqueda de Carnot y las que realizaron sus predecesores en cuanto a las mejoras para una máquina térmica?

b) ¿Cómo explicó Priestley la combustión de un cuerpo orgánico?

c) ¿Qué nombre llevaba el fluido utilizado para explicar la presencia de calor?

d) Enuncien el punto de partida de la teoría de Carnot sobre el pasaje de calor desde una fuente caliente hacia una fuente fría (hoy esta teoría es conocida como Segundo Principio de la Termodinámica).

e) Expliquen la analogía con dos ruedas que funcionan que utilizó Carnot para explicar el flujo de calor, una con la caída del agua y la otra en sentido inverso.

f) ¿Cuál es la máquina que mejor puede funcionar según Carnot?

g) Obtengan una imagen del video con los símbolos y las flechas que explican el flujo de calor y trabajo en una representación de una máquina térmica. Expliquen cada uno de los símbolos y obtengan una ecuación que relacione los calores y trabajos involucrados en la máquina térmica a través de la conservación de la energía.

h) Obtengan una imagen del video con los símbolos y las flechas que explican el flujo de calor y trabajo en la representación de una máquina frigorífica. Expliquen cada uno de los símbolos y obtengan una ecuación que relacione los calores y trabajos involucrados en la máquina térmica a través de la conservación de la energía.

i) ¿Qué simplificación a la máquina térmica hizo Carnot para estudiar sus mejoras?

j) Expliquen de qué manera un pistón en un cilindro con aire puede realizar trabajo neto al conectar con fuentes calientes y frías a lo largo de un ciclo. ¿Cómo son los calores y trabajos a lo largo del ciclo, y por qué existe esa diferencia? ¿Qué debería suceder para que el cilindro pueda funcionar en forma reversible?

k) ¿Qué tipo de proceso se llama isotérmico?

l) ¿Cómo se llama un proceso aislado térmicamente? ¿De dónde viene el trabajo que se realiza en este proceso al expandirse el gas? ¿Qué sucede con la temperatura del gas luego de esta expansión?

m) En el caso de un ciclo reversible, ¿qué otros dos procesos -uno isotérmico y otro adiabático- realiza el pistón para completar un ciclo y así terminar en el mismo punto de partida?

2. Realicen un informe con el programa Write de sus equipos portátiles que incluya las distintas respuestas de la actividad y las conclusiones a las que hayan podido arribar.