Motor Stirling Casero g5w18

a que casi toda la energía disponible de las materias se libera en forma de Motor Stirlingprimas Casero calor, podemos comprender el porqué de la importancia de esta disciplina, la cual 1-.Resumen a la vez ha desarrollado enormes avances en la ciencia y la tecnología. El motor Stirling casero es un dispositivo elaborado principalmente a base de materiales de uso cotidiano, el cual funciona por principios - Procesos reciclables termodinámicos. termodinámicos simples. La idea de construir un aparato de este tipo Existen diversos muy factores llamados variables de estado que determinan la surgió como una inquietud degas, analizar funcionamiento real detemperatura una maquina térmica condición física de un comoelson: Presión, volumen, y cantidad pero a la vez experimentando conociendo sus partes tantosobre internas como de materia o sustancia. Se hanyrealizado diversos estudios las interacciones externas para una mejor del la mismo. Este aparato buscaLey ser una de estas variables, dandocomprensión como resultado formación de tres leyes: de Boyle, forma sencilla económica de demostrar la transformación de la energía ley de práctica, Gay Lussac y Leyy de Charles, que a la vez dieron pie a la conformación de térmica en trabajo mecánico y los viceversa, el proyecto acredita satisfactoriamente los procesos termodinámicos, cuales son: partedelProceso conocimiento adquirido durante el curso de química de sexto año, Isotérmico. particularmente la unidadode termodinámica marcada en el programa de la  Procesode Isométrico isocórico escuela preparatoria y al mismo tiempo incluyendo conocimientos de  nacional Proceso Isobárico. nuestra materia de física correspondiente a área 1. Para efectos de este trabajo, nos concentraremos en dos tipos de procesos, que parten de la Primera Ley de la termodinámica, la cual enuncia que la energía debe conservarse en cualquier proceso termodinámico. Dichos procesos son el Isotérmico y el Isocórico o Isométrico. Los procesos isométricos se observan en el funcionamiento del motor al calentar y enfriar el fluido de trabajo a volumen constante. Este proceso es comúnmente conocido como Ley de Gay Lussac en donde la presión absoluta del gas es directamente proporcional a la temperatura.

P1/T1 = P2T2…… Volumen cte. P: Presión. 2-.Introducción T: Temperatura. 2.1-.Marco teórico. - Termodinámica. La Termodinámica es la rama de la Física, ya por muchos considerada como ciencia, que se ocupa del estudio de la transformación de la energía térmica en energía mecánica y del proceso inverso, la conversión de trabajo en calor. Debido

Los procesos isotérmicos, apreciables en la compresión y expansión del fluido a temperatura constante, también son conocidos como Ley de Boyle “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le aplique”.

P1V1 = P2V2…..Temperatura cte. P: Presión. V: Volumen.

Mediante estos principios, es más fácil entender el funcionamiento del motor Stirling, el cual se basa primordialmente en la variación de presión a causa de los cambios de temperatura.

- Máquina térmica. Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para tal efecto, utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica para que ésta pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo. Un problema que presentan las máquinas térmicas en el ámbito práctico es que están sujetas a un gran número de adversidades como la fricción, la pérdida de calor por conducción y la radiación, que impiden que dichas máquinas trabajen a su máxima eficiencia. Una máquina ideal, libre de este tipo de problemas, fue sugerida por Sadi Carnot en 1824. Esta máquina tiene la eficiencia máxima posible tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura, realiza un trabajo externo y deposita calor en un recipiente a baja temperatura. La eficiencia de una cierta máquina puede determinarse al compararla con la máquina de Carnot al funcionar entre las mismas temperaturas.

- Motor Stirling. Se define al motor Stirling como un dispositivo que convierte energía calorífica en trabajo mecánico y viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo el

cual se compone de movimientos de compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco frío. Este maravilloso motor fue inventado en 1816 por el fraile escocés Robert Stirling. En sus inicios, fungió como una gran alternativa al motor de vapor empleado en las locomotoras. Poco a poco fue perdiendo fama debido al desarrollo del motor de combustión interna, el cual generaba una mayor potencia a pesar de la poca eficiencia térmica que presentaba. Con el paso del tiempo, el motor Stirling se ha vuelto a tomar en cuenta debido a las grandes ventajas termodinámicas que presenta, así como a su fácil manipulación de ciclo y a su baja emisión de contaminantes. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. Es importante mencionar que el motor Stirling a pesar de presentar una alta eficiencia térmica, tiene una potencia muy baja, adicionado a que el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. Es un motor de combustión externa, lo que le permite emitir menores cantidades de gases contaminantes en comparación al motor de combustión interna, además tiene

la posibilidad de aceptar fuentes de calor que no requieran de la

combustión. Basándose en lo anterior, grupos de científicos han construido motores Stirling que funcionan a partir de la energía solar, de energía nuclear y de calor de desechos de procesos. Considerando las características que presenta el motor Stirling, las cuales son muy parecidas a las que presenta la máquina ideal de Carnot, podemos considerarlo como una máquina térmica ideal, hecho que a lo largo del trabajo se desarrollará con mayor detalle.

- Tipos de motores Stirling. Existen tres principales tipos de motores Stirling:  Motores tipo Alfa: No utiliza pistón desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos. Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro. Uno de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua. El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

 Motores tipo Beta: El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un cilindro, con una zona caliente y una zona fría. En el interior del cilindro está el desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa. Concéntrico con el desplazador se encuentra el pistón de potencia y mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.

-Desde Eficiencia el punto térmica. de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción Como se mencionó es complicada al inicio ya delque cuerpo el pistón del trabajo, debe delatener eficiencia dos bielas termodinámica y permitir el pasociclo del del vástago Stirling que es prácticamente mueve el desplazador. igual a la de un ciclo de Carnot, trabajando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo cual se debe principalmente a lo hermético del aparato y al proceso denominado regeneración en el que se utiliza una misma cantidad de fluido en todo el proceso de calentamiento y enfriamiento del gas, evitando de tal forma la pérdida de calor del sistema. Una máquina térmica recibe una cantidad determinada de calor, pero debido a inevitables pérdidas por fricción, lo puede convertir en una cierta cantidad disminuida de trabajo mecánico, estando de tal forma siempre presente el calor que no se aprovecha. La fórmula para el cálculo de la eficiencia térmica es:  Motor tipo Gamma: ; peroesW= E – Qs ; E= (Qel E –prototipo Qs)/QE mostrado a lo por lo tanto: E= W /QE Stirling A esta clase desalmotor a laQque pertenece largo del trabajo. Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa E= 1 – Qs/QE el desplazador y en otro el pistón de potencia. Los sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta. E= eficiencia QEmás = Calor entrante. En este tipo eltérmica. pistón de potencia es mucho sencillo de construir ya que es Q s= Calor saliente. W= Trabajo similar al de un motor de motocicleta. Aquí el pistón y el desplazador también deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el Es complicado calcular las cantidades de calor entrante y saliente ya que se ven cigüeñal adecuado. afectados por lade fricción de los pistones,espor la combustión Desde el punto vista termodinámico menos eficaz queincompleta el tipo beta,del puesto combustible o pordelastrabajo mismas de dichos que la expansión se propiedades realiza en sufísicas totalidad a menorcombustibles. temperatura. Sin embargo, al considerar la alta eficiencia del motor Stirling, podemos considerarla como una máquina ideal y por lo tanto haremos caso omiso de dichas alteraciones, quedándonos con el valor absoluto del calor entrante y saliente, considerando la eficiencia en términos de temperatura, ya que se ha comprobado que para dichas máquinas: QE/Qs = TE/Ts

QE: Calor entrante

Qs: Calor saliente.

TE: Temperatura entrante. Ts: Temperatura saliente.

Por lo tanto, la eficiencia del motor Stirling se puede calcular como una función de las temperaturas absolutas: E= (TE – Ts)/TE

por lo tanto:

E= 1 – Ts/TE E= Eficiencia térmica. TE: Temperatura entrante. Ts: Temperatura saliente

2.2-.Objetivos.  Construir un motor tipo Stirling con materiales reciclados  Estudiar y explicar el funcionamiento de una de las máquinas térmicas más eficientes como lo es el motor Stirling. 2.3-.Problema. Buscar la forma de poder construir un pequeño motor Stirling tipo Gamma, empleando materiales de bajo costo y en su mayoría reciclables.

2.4-.Hipótesis. De acuerdo al modo de funcionamiento del motor Stirling, es posible demostrar los procesos termodinámicos presentes en una máquina térmica, mediante la construcción de un motor Stirling hecho con materiales reciclados.

3-.Desarrollo. Para la construcción del motor Stirling casero se emplearon los siguientes materiales:  ½ metro de hilo nailon  3 latas de refresco vacías  ½ metro de alambre galvanizado  1globo

 1tornillo pequeño  1rondana para el tornillo  1tuerca para el tornillo  1 codo de vc

Metodología para la construcción del motor Stirling

1) Cortar las latas por su parte superior. 2) Posteriormente agujerar una de ellas en su base por la parte central (el agujero debe ser del diámetro de un alfiler). 3) La segunda lata debe ser agujerada por uno de los costados y se le pondrá el codo de vc pegado con plastiacero. 4) Se fabrica un pistón con otra lata de refresco, éste debe desplazarse de manera libre por el interior de la lata que tiene el tubo de vc. 5) A continuación se construye un cigüeñal con el alambre galvanizado y con ayuda de unas alicatas, como se indica en la figura

6) La lata con agujero en su base deberá de llevar 2 agujeros en sus extremos de tal manera que se encuentre uno a 180 grados del otro y a la misma altura, en estos agujeros se colocara el cigüeñal. 7) Posteriormente con ayuda de hilo nilón, se amarrara el cigüeñal al pistón, el pistón debe colocarse en la lata que tiene el codo de vc y el hilo de nilón debe pasar por el agujero como se muestra en la figura:

4-.Resultados. Describir el funcionamiento del motor y explicar cómo gira el motor. Descripción del motor.

5-.Análisis e interpretación de resultados En base a los resultados obtenidos (nuestro motor trabajando en perfectas condiciones), podemos fácilmente revisar el funcionamiento del motor ¿qué es lo que lo hace funcionar?. En primera instancia, debemos recordar que el motor Stirling es una máquina térmica y por tanto, el principal elemento para que inicie su funcionamiento es la suministración de calor. Al incidir calor en la parte baja del motor, calentamos el aire ubicado en la zona baja del motor, en la cámara donde se encuentra el pistón desplazador; este aire comienza a elevar su temperatura y de acuerdo a la ley de Gay Lussac, su presión aumenta de forma directamente proporcional, empujando así al pistón desplazador hacia arriba, a la vez que este Se deben aire caliente pegar también las latas se dirige como aselaindica zona fría arriba. del motor(recordemos que el principio en el 8)que Posteriormente se basa el motor agujerar Stirling el globo para con funcionar el tornillo es laydiferencia fijar este al demismo globo temperaturas). con ayuda Al llegar de unaeltuerca aire aylarondana, parte superior, despuésempuja cortar al ligeramente pistón de fuerza la boquilla hacia arriba ydel al pistón globo ydesplazador colocarlo en hacia el codo abajo, de pero vcal enfriarse por el o que sufre 9) con Unirlaelparte tornillo a baja quetemperatura, sale del globo su al presión cigüeñal disminuye, como sedejando muestraque en laelfigura. pistón de fuerza baje y el pistón desplazador vuelva a subir, completando así un ciclo, el cual se repetirá de forma indefinida mientras exista la fuente de calor, la diferencia de temperaturas y la inercia provocada por la masa de los volantes de inercia, la cual ayuda a que el ciclo se realice de forma mucho más eficiente.. Un aspecto muy importante para resaltar es que el motor Stirling posee una potencia baja pues es sólo a bajas frecuencias que su eficiencia térmica aumenta sustancialmente. Mientras mayor sea la diferencia de temperaturas, pudimos observar que la potencia aumenta, debido a que existen cambios mucho más bruscos en los estados del sistema, obligándolo a adaptarse y a actuar más rápido, transformando rápidamente esacigüeñal energía como calorífica en energía 10) Colocar en el otro extremo del se muestra en lamecánica figura de– cinética.arriba el CD

El motor Stirling fue utilizado como alternativa del motor de vapor durante sus inicios, para después ser desplazado por el motor de combustión interna, pero actualmente se han estudiado mejor sus grandes beneficios, convirtiéndose en una gran promesa para la generación limpia de energía eléctrica pues la reacción de combustión es mucho más controlada que en un motor de combustión interna, además, se han construido también motores Stirling solares, de tal forma que no requiere de la quema de combustibles para mantener el calor en la parte baja del motor, haciendo por lo tanto de este maravilloso motor un extraordinario, ecólogico y de gran eficiencia motor Stirling. Algunas personas la emplean también como motores de vehículos pequeños, que no requieran tanta potencia. En suma, el realizar el motor Stirling no representó una gran inversión (aproximadamente 50 pesos), lo cual no presenta comparación alguna al dejarnos descubrir una parte del maravilloso mundo de la termodinámica. Además, al ser un motor de gran eficiencia y relativamente ecológico (digo relativamente pues éste no funciona con energía solar), podría en un futuro ubicarse en gran parte de los hogares del mundo, produciendo energía eléctrica libre de contaminantes.

6-.Conclusiones. El funcionamiento del motor Stirling responde a principios termodinámicos simples, pero que a la vez hacen del mismo una maquina asombrosa, como hemos visto la energía en el universo no es más que la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, lo cual está íntimamente relacionado a un principio muy elemental “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”, es decir, la primera ley de termodinámica. Por otro lado hemos aprendido que no existe maquina perfecta capaz de aprovechar íntegramente la energía total de un sistema para la producción de trabajo, lo cual ha traído consigo la inquietud de desarrollar artefactos capaces de aprovechar todo el recurso suministrado, pues en la mayoría de los casos será posible presenciar perdidas lo cual no trae consigo ningún beneficio. Afortunadamente el motor Stirling es el artefacto termodinámico que más se ha acercado a esa perfección anhelada tanto en eficiencia como en

consumo de energía debido a que esta es aprovechada casi al 100% y con grandes prestaciones. Gracias a esto las aplicaciones que se le pueden dar son diversas y los beneficios en mayor medida.

7-.Fuentes de información.  Tippens, Paul E. (2007). “Física. Conceptos y aplicaciones”. Mc Graw Hill. 7ª ed. México.  Seely y Ensign. (1990). “Mecánica analítica para ingenieros”. Reimpresión. México.  Stolberg, R. y Hill, F.F. (1999). “Física, fundamentos y fronteras”. Publicaciones Cultural. México.  Sears, Zemansky, Young y Freedman. (2005). “Física universitaria con física moderna”. Pearson Addison Wesley. Undécima edición. México.  Terrazocultor, José Manuel. http://100ciaencasa.blogspot.mx/. Consultada el: 12/enero/2014