Motor stirling

MOTOR STIRLING

A. COMPETENCIA ESPECIFICA

Analiza los diferentes procesos termodinámicos en el funcionamiento de un motor Stirling mediante un diagrama PV, para verificar la primera ley de la termodinámica y su eficiencia.

B. INFORMACIÓN TEÓRICA

El motor Stirling es un motor de combustión externa frente a los tradicionales motores de gasolina o diésel de combustión interna que se utilizan en los vehículos. El motor opera con una fuente de calor externa y un sumidero de calor, la diferencia de temperaturas entre ambas fuentes debe ser grande. En el proceso de conversión del calor en trabajo, el motor de Stirling alcanza un rendimiento superior a cualquier otro motor real, acercándose hasta el máximo posible del motor ideal de Carnot. En la práctica está limitado, porque el gas con el que trabaja es no ideal, y además, es inevitable el rozamiento entre los distintos componentes del motor.

Ciclo Teórico del motor Stirling

Un motor ideal de Stirling consta de cuatro procesos termodinámicos, tal como se muestran en la Figura 1 en un diagrama Presión-Volumen.

Figura 1: Diagrama PV de los procesos termodinámicos motor Stirling

Supongamos n moles de un gas ideal encerrado en un recipiente con un émbolo el cual se puede desplazar siguiendo los cuatro procesos siguientes:

Proceso 1→2: Es una expansión isotérmica a la temperatura T_1, desde el volumen inicial V_1 al volumen final V_2.

Variación de energía interna, 〖ΔU〗_12=0

Considerando la primera ley de la termodinámica ΔU=Q-W entonces, el gas realiza un trabajo W_12 y por tanto, tiene que absorber una cantidad igual de energía del foco caliente para mantener su temperatura constante.

Q_12=W_12=∫_(V_1)^(V_2)▒〖P dV=〗 ∫_(V_1)^(V_2)▒〖〖nRT〗_1/V dV=〖nRT〗_1 ln⁡〖V_2/V_1 〗 〗

Proceso 2→3: Es un proceso a volumen constante.

El trabajo realizado es nulo W_23=0

El gas ideal cede calor disminuyendo su energía interna, y su temperatura

□(〖ΔU〗_23=Q_23=〖nc〗_v (T_2-T_1 )= -〖nc〗_v (T_1-T_2))

Proceso 3→4: El gas se comprime a la temperatura constante T_2, desde el volumen inicial V_2 al volumen final V_1. Como el gas está a baja presión, el trabajo necesario para comprimirlo es menor que el que proporciona durante el proceso de expansión.

Variación de energía interna, 〖ΔU〗_34=0

Se realiza un trabajo W_34 sobre el gas y por tanto, tiene que ceder una cantidad igual de calor del foco frío para mantener su temperatura constante. Q= ΔU+W

□(Q_34=W_34=∫_(V_2)^(V_1)▒〖P dV=〗 ∫_(V_1)^(V_2)▒〖nRT〗_2/V dV=〖nRT〗_2 ln⁡〖V_4/V_3 〗=-〖nRT〗_2 ln⁡〖V_2/V_1 〗 )

Proceso 4→1: Es un proceso volumen constante.

El trabajo realizado es

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