Primer principio de la termodinamica

1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BARCO A VAPOR MEDIANTE LA
APLICACIÓN DE LA TEORÍA DE LA TERMODINÁMICA
*Sergio Javier Cullay Ashqui
*Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica
Riobamba, Ecuador (Tel: 0998694003; e-mail: pahjaviercullay@hotmail.com)
**Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica
RESUMEN: El vapor es uno de los fluidos más comúnmente utilizados para calentar equipos o
instalaciones en cualquier tipo de industria por eso es importante conocer la utilización del vapor, ejemplificado
en una pequeña máquina, la cual nos muestra el desarrollo de la energía térmica en la propulsión de un objeto e
involucrando la metalistería y otras ciencias que de una u otra forma aportan en la construcción de dicho
proyecto.
En mi proyecto se construyó una pequeña maquina a vapor que utilizando las magnitudes
termodinámicas de presión-vacío creadas dentro de una lata la cual se impulsa mediante ciclos, los cuales se
dividen en evaporación-impulsión y condensación-vacío; logrando así un ciclo cerrado que dependerá de la
cantidad de energía en forma de calor, cedida por el combustible en este caso la vela. La construcción del barco
tiene como característica principal un diseño basado en el porcentaje de flotabilidad de un cuerpo, tomando el
centro de gravedad como el más adecuado para situar el elemento motriz y así darle al barco un contacto mínimo
con el agua; tomando en cuenta que los materiales para la construcción minimicen el peso del mismo y así lograr
un deslizamiento rápido y seguro sobre la superficie acuática.
.
Palabras clave: energía térmica, flotabilidad, superficie acuática
1. INTRODUCCIÓN
Las calderas de los barcos de vapor están
constituidas por un recipiente metálico
cerrado donde el agua se transforma en
vapor, proporcionando una producción
continua de vapor a presión y temperatura
determinadas.
Estas calderas están formadas por el
hogar, espacio donde se lleva a cabo la
combustión del carbón, del petróleo o del
combustible a utilizar; al aprovechar las
magnitudes termodinámicas de presión-
vacío los cuales se dividen en evaporación-
impulsión y condensación-vacío; se logra
un circuito cerrado y la cantidad de
energía en forma de calor que se crea en el
interior de la lata hace que se produzca el
movimiento.
2. OBJETIVOS:
2.1.General:
Diseñar y construir un barco a vapor mediante
la aplicación de la teoría de la termodinámica.
2.2.Especifico:
 Reconocer los principios de los
termodinámicos.
 Demostrar el uso de fuentes
alternativas de energía.
 Realizar una prueba con los modelos
propuestos.

2. 3. Definición del problema.
Se pretende lograr la construcción de un
modelo a escala representado en un barco, el
cual deberá ser impulsado por energía térmica
y de forma autónoma por un lapso de tiempo
determinado por el elemento combustible en
este caso una vela.
En la práctica los barcos convencionales
trabajan con combustibles fósiles y contaminan
demasiado lo que se pretende con este proyecto
es reducir la contaminación realizando un
trabajo útil.
3. MARCO TEORICO:
3.1. CONCEPTOS BÁSICOS
Termodinámica.
La termodinámica es la disciplina que
dentro de la ciencia madre, la Física, se
ocupa del estudio de las relaciones que se
establecen entre el calor y el resto de las
formas de energía. Entre otras cuestiones
la termodinámica se ocupa de analizar los
efectos que producen los cambios de
magnitudes tales como: la temperatura, la
densidad, la presión, la masa, el volumen,
en los sistemas y a un nivel macroscópico.
La base sobre la cual se ciernen todos los
estudios de la termodinámica es la
circulación de la energía y como ésta es
capaz de infundir movimiento.
Primera ley de la termodinámica.
La primera ley hace uso de los conceptos
claves de energía interna, calor, y trabajo
sobre un sistema. Usa extensamente el
estudio de los motores térmicos. La unidad
estándar de todas estas cantidades es el
julio, aunque algunas veces se expresan en
calorías o BTU.
La primera ley de la
termodinámica establece que la energía no
se crea, ni se destruye, sino que se
conserva. Entonces esta ley expresa que,
cuando un sistema es sometido a un ciclo
termodinámico, el calor cedido por el
sistema será igual al trabajo recibido por
el mismo, y viceversa.
Es decir Q = W, en que Q es el calor
suministrado por el sistema al medio
ambiente y W el trabajo realizado por el
medio ambiente al sistema durante el ciclo.
Esta ley indica la dirección en que se llevan
a cabo las transformaciones energéticas.
En un sistema aislado, es decir, que no
intercambia materia ni energía con su
entorno, la entropía siempre aumenta con
el tiempo.
En otras palabras: El flujo espontáneo de
calor siempre es unidireccional, desde los
cuerpos a temperatura más alta a aquellos
de temperatura más baja.
Barco de vapor
También llamado buque; propulsado por
máquinas de vapor o por turbinas de vapor.
Consta elementalmente de una caldera de
vapor, de una turbina de vapor o máquina
de vapor y de un condensador refrigerado
por agua.
MODELO MATEMÁTICO.
Se produce una expansión isotérmica a la
temperatura T1, desde el volumen inicial V1 al
volumen final V2.
Variación de energía interna, ΔU12=0
El gas realiza un trabajo W12 y por tanto, tiene
que absorber una cantidad igual de energía del
foco caliente para mantener su temperatura
constante.
𝑄12 = 𝑊1−2
𝑄12 = (ℎ2 − ℎ1)

3. Materiales
Materiales directos:
Plástico
Sorbetes
Cartón
Lata metálica
Velas:
Materiales indirectos:
Pinturas:
Estilete:
Tijeras:

4. Procedimiento:
1. Cortar láminas de plástico.
2. Dar forma al barco mediante diversas
habilidades y destrezas.
3. Hacer un orificio en la base del barco.
4. Laminar lata de metal
5. Colocar sorbetes en la lata de metal y
sellar en su totalidad.
6. Verificar que no existan fugas de agua
en la lata
7. Introducir la caldera (lata de metal) en
los orificios realizados en la base del
barco
8. Sellar orificios de la base del barco
correctamente.
9. Pintar y esperar que seque.
10. Colocar la caseta
11. Colocar la fuente de calor (velas) por
debajo de la caldera.
12. Encender y verificar su
funcionamiento.
Cálculos:
Datos:
Liquido.
T1=16 °C Temperatura ambiente de Riobamba.
V1=0,0001m3
m1=60mg
Cp=4,18 kJ/kg
R= 0,4615kJ/kg°k
h1=Cp×(T1)
h1=4,18×(16)
h1=66,88 kJ/kg
Vapor
T1=100°C Temperatura de ebullición.
Cp=4,18 kJ/kg
R= 0,4615kJ/kg°k
ℎ2 = 𝑐𝑝 × 𝑇2
ℎ2 = 4,18 × 100
ℎ2 = 418
𝑘𝐽
𝑘𝑔
𝑄12 = 𝑊12
𝑄12 = (ℎ2 − ℎ1)
𝑄12 = 418 − 66,88
𝑄12 = 351,12
𝑘𝐽
𝑘𝑔
× 0,00006 𝐾𝑔
𝑄12 = 0,021 𝑘𝐽
𝑄12 = 𝑊12
0,021𝑘𝐽 = 𝑊12
El resultado de la observación pone de
manifiesto lo elemental del proceso: los tubos
expelen agua de manera pulsante (con una
frecuencia de un impulso cada dos o tres
segundos aproximadamente) que hace
avanzar al barco

5. Conclusiones:
 Gracias al sistema creado se explica la
primera ley de la Termodinámica que
se define como La conservación de la
energía.
 Al finalizar el experimento podemos
llegar a la conclusión que el barquito
se mueve por el vapor resultante del
calor suministrado al agua, esto hace
que impulse al barquito
1. Bibliografía
Boles, Y. A. (2009). Termodinamica. Mexico:
Mc Graw Hill.
Galarga, J. (29 de Junio de 2007). Manchester.
Obtenido de Calor y Energia:
http://www.definicionabc.com/ciencia/termodi
namica.php
Perdomo, L. (18 de noviembre de 20011).
Obtenida de Termoesttyl:
http://www.monografias.com/trabajos55/leyes-
de-fisica/leyes-de
fisica2.shtml#ixzz4I1m4QBn7
.

6. ANEXO