Autor: Hernán FerrariResponsable
disciplinar: Silvia BlausteinÁrea
disciplinar: FísicaTemática:
eficiencia de una máquina térmica, principios de la
Termodinámica.Nivel: Secundario, ciclo
básicoSecuencia didáctica elaborada por Educ.ar
Introducción a la actividad
La
eficiencia de algunas máquinas térmicas usadas hoy en día oscila entre
el 3% para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el
25% para la mayor parte de los motores de automóviles, el 35% para una
planta generadora de carbón supercrítico, y el 60% para una turbina de
gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor.
Los
sistemas de conversión de energía térmica del océano emplean la
diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua en
las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25
grados Celsius, por lo que la eficiencia debe ser baja. Por otra parte,
las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para
calentar aire hasta cerca de 1530 grados Celsius, es decir, una
diferencia de hasta 1500 grados, por lo que la eficiencia puede ser
mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.
La
termodinámica es una rama de la física que estudia los efectos de
los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico.
Constituye una teoría fenomenológica que, a partir de razonamientos
deductivos, estudia sistemas reales sin modelizar y sigue un método
experimental. Estudia los cambios ocurridos en la temperatura, presión
y volumen, aunque también estudia cambios en otras magnitudes, tales
como la magnetización, el potencial químico, la fuerza electromotriz,
etc. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la
necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
Objetivo de la actividad
Analizar la eficiencia de
las máquinas térmicas y presentar los cuatro principios de la
Termodinámica.
Objetivos pedagógicos
Actividad 1
Observar el siguiente video y luego responder el cuestionario
relacionado con lo observado.
¿Qué
tienen en común una máquina térmica real y la máquina ideal pensada
por Carnot?
¿Cuál es la expresión matemática que define la eficiencia de una
máquina térmica?
Carnot se basó en el Segundo Principio de la Termodinámica para
mostrar
que su máquina ideal reversible era aquella con la que se podía
obtener la máxima eficiencia, ¿cómo lo hizo? Obtener las imágenes
necesarias del video para facilitar la explicación.
¿Por qué es necesario tener un sistema de refrigeración por agua
en un automóvil, del que forma parte el radiador?
¿Por
qué el rendimiento de una máquina térmica debe ser menor a uno? En
otras palabras, ¿por qué el calor que entrega el combustible en la
combustión no puede convertirse en su totalidad en trabajo mecánico?
¿Cuál
es el máximo rendimiento de una máquina en función de las temperaturas
de las fuentes térmicas con las que trabaja?
¿Cuál es
la magnitud que se conserva en un ciclo de
la máquina de Carnot que halló Clausius ? ¿A que es igual esta
magnitud en un proceso
reversible?
Realizar
un informe con el programa Write que incluya las distintas
respuestas de la actividad y las conclusiones a las que hayan arribado.
Actividad 2
Observar el siguiente video y luego, responder el cuestionario.
Enunciar
los cuatro principios de la Termodinámica.
¿Cuál es
el experimento que explica el narrador y se lleva a cabo en la
academia La tiza? En qué sistema y con que unidades expresa la
temperatura inicial del líquido el narrador? ¿Cómo se relaciona esta
temperatura para expresarla en la escala que utilizamos a diario, en
grados centígrados o grados Celcius?
¿Qué
sucede con la temperatura del líquido y del hielo mientras el cubo de
hielo no se derrite por completo?
¿Cuáles
son los ejemplos de la máquina de la naturaleza en el planeta
Tierra que describe el video?¿De dónde proviene la energía que hace
que
esta máquina funcione de manera ilimitada?
¿En qué
dirección se mueve naturalmente el calor entre dos fuentes a distintas
temperaturas?
¿Cuáles
son las fuentes a distintas temperaturas que hacen que funcione
un automóvil a gasolina? ¿Y en la locomotora de un tren a vapor?
Realizar
un informe con el programa Write que incluya las distintas
respuestas de la actividad y las conclusiones a las que hayan
arribado.