Índice:

��Introducción ��Planteamiento del problema: Objetivo.

��Fundamentación teórica.

�� Máquinas y motores térmicos y el segundo principio de la termodinámica. �� El motor Stirling.

��Diseño de la experiencia.

�� Materiales �� Construcción del motor

��Funcionamiento del artefacto Tailer ��Recogida de datos

��Análisis de datos ��Conclusión ��Anexo:

�� Mi diseño �� Resumen

��Bibliografía

Introducción: La idea de realizar una versión doméstica del motor Stirling, la encontré en el

artículo de una revista. Me gustaba la idea porque trabajaba con materiales corrientes, lo que me

permitía reciclar y reutilizar materiales como latas de refrescos, latas de conservas más grandes que las anteriores, pedazos de tuberías, trozos de madera, etc.

Resultaba atractiva la idea de que con esos materiales, que iban a terminar en la

basura irremediablemente, se pudiera construir un motor que pudiera realizar un movimiento que podría ser utilizado para mover algo, en este caso hacer girar una rueda.

Se trata de un motor de combustión externa, la combustión no actúa

directamente sobre el pistón como sucede en los motores de combustión interna, sino que actúa indirectamente valiéndose de un intermediario conocido como fluido motor. A este grupo pertenece la máquina de vapor, cuyo fluido motor es el agua.

Nuestro caso de motor de combustión externa es el que el reverendo Robert Stirling presentó en Escocia en 1816. Originalmente su fluido motor era el aire pero en posteriores versiones lo sustituyeron por hidrógeno y por helio.

El motor Stirling merece nuestro interés por varias razones: �� Recicla continuamente su fluido motor. �� Puede utilizar cualquier fuente calorífica, lo que permite elegir un

combustible poco contaminante. �� Ofrece un rendimiento elevado en la conversión del calor en trabajo. Pese a todo, debido a un cúmulo de circunstancias, la idea de Stirling quedó

arrumbada, primero por culpa del vapor, y luego por la combustión interna.

Planteamiento del problema: Objetivo. El objetivo de este trabajo es investigar el funcionamiento del motor Stirling a

través de la realización de una versión doméstica construida con materiales corrientes.

De esta forma, investigar sobre el funcionamiento de un motor de combustión

externa cuyo combustible podría ser uno poco contaminante. Como no se dispone de ese tipo de combustible en el laboratorio, se empleará

una bombona de gas. Analizar:

�� Si el motor funciona mejor con regenerador o sin él. �� La temperatura a la que funciona mejor la máquina. �� Por qué es importante el ángulo de 90º que forman las manivelas y por

qué arrastra la manivela caliente a la fría.

Fundamentación teórica: El funcionamiento del motor Stirling está basado en el segundo principio de la

termodinámica (la posibilidad o imposibilidad de conseguir energía que esté en condiciones de ser empleada), que enunciado de forma sencilla afirma que es fácil convertir trabajo mecánico o energía interna de un sistema completamente en calor sin ningún otro cambio, pero es imposible extraer energía interna o calor de un sistema y convertirlo completamente en trabajo mecánico sin ningún otro cambio adicional. Este hecho se debe a que algunos procesos son irreversibles.

Un ejemplo de proceso irreversible es la conducción del calor. Si colocamos un cuerpo caliente en contacto con uno frío, el calor fluirá del cuerpo caliente al frío hasta que se encuentren a la misma temperatura. Sin embargo, el proceso contrario no se presenta nunca. Dos cuerpos a la misma temperatura que estén en contacto, se mantienen a la misma temperatura. El calor no fluye a la misma temperatura. El calor no fluye de uno a otro, haciendo que uno se enfríe cada vez más y que el otro se caliente cada vez más. El segundo principio de la termodinámica resume el hecho de que este tipo de procesos no se producen en la naturaleza.

�� Máquinas y motores térmicos y el segundo principio de la termodinámica.

El estudio de los rendimientos de las primeras máquinas térmicas dio origen a

los primeros enunciados del segundo principio de la termodinámica. La primera máquina térmica práctica fue la máquina de vapor (siglo XVIII).

Una máquina térmica simple realiza el trabajo en un proceso cíclico: El cilindro

que contiene el gas a una presión lleva un pistón o émbolo ajustado. En la etapa el pistón se mantiene fijo mientras el gas es calentado y alcanza la presión . La presión aumenta a volumen constante

1P� �a

2P 1. Entonces se añade el peso p para equilibrar el aumento de fuerza que se ejerce sobre el pistón debido a la

mayor presión. En la etapa � , se adiciona más calor permitiéndose al gas que se expansione a presión constante

�b

�

2, levantando el peso hasta cierta altura . En la etapa , se vuelve a mantener fijo el pistón, al mismo tiempo que se elimina calor hasta que la presión vuelve a ser . La presión decrece a volumen constante

h� �c

1P3. Entonces se elimina el peso de forma que el sistema vuelve a estar en

equilibrio. En la etapa se comprime el gas a presión constante, eliminándose calor al mismo tiempo, hasta que el gas adquiere su volumen primitivo.

�d

1 Como se ve en la gráfica de la página siguiente. PV2 Como se ve en la gráfica de la página siguiente. PV3 Como se ve en la gráfica . PV

El resultado neto es que se ha introducido una cantidad de calor Q , se ha extraído otra cantidad , y se ha realizado un trabajo

.

21 QQentra ��

43 QQQsale ��

saleentra QQmghW ���4

1. Máquina térmica simple que realiza trabajo en un ciclo.5

Las características importantes de un motor o máquina térmica son que una

sustancia o sistema denominado sustancia de trabajo (agua en el caso de una máquina de vapor) absorbe una cantidad de calor Q a una temperatura elevada

, realiza un trabajo W y expulsa o elimina un calor h

hT cQ 6 a una temperatura inferior T . Luego vuelve a su estado original la sustancia de trabajo. La máquina o motor térmico es pues un dispositivo cíclico.

c

El objetivo de una máquina o motor térmico consiste en convertir la mayor cantidad de calor de entrada en trabajo. El calor que entra procede del foco hQ hQ

4 El resultado neto del ciclo es que se ha realizado trabajo levantando el peso hasta una cierta altura

. El gas realiza trabajo durante la etapa b, mientras que se realiza trabajo sobre el gas en la etapa d. El trabajo neto realizado por el gas viene dado por la zona sombrada de la gráfica. h

5 Imagen obtenida de: Tipler, Paul A., Física, Pagina 565 (consultar bibliografía). 6 De acuerdo con el convenio de signos a utilizar el principio de la termodinámica, el calor eliminado por un sistema es negativo. Como ahora solo nos interesan los valores de los calores absorbidos o eliminados, utilizaremos donde sea preciso los signos de valor absoluto.

térmico7 a temperatura ; el calor que se escapa hT cQ se cede al foco térmico a una temperatura inferiorT . c

Como los estados inicial y final del motor y de la sustancia de trabajo son los mismos, la energía interna final tiene que ser igual a la energía interna inicial. Entonces, según el principio de la termodinámica, el trabajo realizado es igual al calor neto absorbido:

ch QQW ��

2. Representación esquemática de la máquina térmica.8 Enunciado de la máquina térmica del segundo principio de la termodinámica: Es

imposible que una máquina o motor térmico trabaje cíclicamente sin producir ningún otro efecto que extraer calor de un foco, realizando una cantidad de trabajo exactamente equivalente.

Esencialmente, el segundo principio nos dice que si queremos extraer energía de un foco térmico para realizar trabajo, debemos disponer de un foco más frío al que pueda eliminarse parte de la energía.

�� El motor de Stirling: Robert Stirling fue un clérigo escocés. Desarrolló su actividad durante los

primeros años del siglo XIX, cuando mucha gente moría o quedaba mutilada a causa de las explosiones producidas por las máquinas de vapor a presiones cada vez más altas.

Stirling se conmovió con la tragedia, y empeñó sus esfuerzos en crear una máquina que trabajara a presiones menores, y, por tanto, menos peligrosas.

Al motor Stirling9, que permaneció olvidado por mucho tiempo, puede haberle llegado la hora, ya que no contamina y es autónomo, silencioso y especialmente idóneo para la refrigeración, cuando opera a la inversa.

7 Un foco térmico es un sistema ideal que tiene una capacidad térmica tan grande que puede absorber o ceder calor sin una variación apreciable de su temperatura. En la práctica, la atmósfera del entorno o un lago, suelen actuar como focos térmicos. 8 Imagen obtenida de: Tipler, Paul A., Física, Pagina 567 (consultar bibliografía).

El motor Stirling consta de dos cilindros, con un pistón cada uno de ellos, y de un regenerador, dispositivo especial que se aloja en el conducto que une ambos cilindros. Los dos pistones están conectados por un eje. Esta conexión pretende coordinar una complicada secuencia de movimientos de los dos pistones.

3. Idealización de un motor Stirling10 Uno de los dos cilindros se mantiene caliente mediante la combustión de

carburante o un calentador eléctrico. El otro se mantiene frío mediante unas paletas refrigerantes o mediante flujo de agua.

El regenerador constituye el elemento distintivo de la máquina. Consiste en un conjunto de paletas de metal o una almohadilla de lana de alambre. Presenta dos características: no debe ser óptimo conductor térmico, porque está situado entre las regiones caliente y fría de la máquina y ha de mantenerse esa diferencia de temperatura; y debe actuar como fuente térmica temporal, capaz de absorber calor cuando fluye por él, gas frío. En ello estriba su función regeneradora, en recalentar el gas frío y reenfriar el gas caliente.

En la posición de partida, el pistón del cilindro frío (pistón FRIO) está encajado

totalmente en el interior del mismo y el del cilindro caliente (pistón CALIENTE) se halla en la mitad de su recorrido. El pistón CALIENTE, tiende a salir del cilindro mientras el pistón FRIO, yace en reposo.

4. Diagrama indicador para el ciclo de Stirling11

9 Robert Stirling lo presentó su motor en 1816. 10 El cilindro de la izquierda se mantiene caliente mediante un flujo de fluido ya calentado (eléctricamente o con energía solar. El cilindro de la derecha se mantiene frío (mediante un flujo de agua, por ejemplo. Entre ellos se encuentra el regenerador. Los dos pistones están conectados por medio de un complicado sistema de engranajes y cigüeñales que acoplan sus movimientos de una forma ingeniosa. Imagen y pie de página obtenidos del libro: P. W. Atkins, La segunda Ley, página88. (consultar Bibliografía) 11 La etapa isotérmica caliente se indica en rojo; la fría en azul.

Carrera de potencia: El cigüeñal gira y la energía entra en forma de calor desde la fuente caliente. La etapa nos lleva hasta B. El volumen del gas se ha incrementado, pero su temperatura ha permanecido constante, por tanto, la presión ha disminuido.

5. Carrera de la potencia en el motor Stirling12 En el punto C existe un acoplamiento cabal entre los pistones: cuando el pistón

CALIENTE se introduce en el cilindro, el pistón FRIO tiende a salir. Gracias a ello se conserva el volumen total del gas cuando se le transvasa de un cilindro a otro. Este gas está caliente y cuando fluye de un cilindro a otro, calienta el regenerador, que actúa transitoriamente como fuente térmica. Este enfriamiento del gas a volumen constante rebaja la presión. Lo que provoca que el sistema pase al punto C.

6. Etapa de B a C13.

12 En esta etapa, que corresponde al tramo de A a B en el diagrama indicador, el pistón de la izquierda se mueve hacia fuera isotérmicamente y el pitón de la derecha permanece en su posición. Se extrae energía de la fuente caliente y se convierte movimiento térmico en movimiento coherente de las partículas del pistón caliente. Imagen obtenida del libro: P. W. Atkins, La segunda Ley, página90. (Consultar Bibliografía). 13 El pistón caliente penetra en el cilindro al mismo tiempo que sale el pistón frío. Se mantiene así constante el volumen del gas de trabajo. Cuando el gas caliente fluye a través del regenerador, cede energía, con lo que las partículas de éste pasan al estado SI, mientras que el gas se enfría. Imagen obtenida del libro: P. W. Atkins, La segunda Ley, página91. (Consultar Bibliografía).

En el punto C el ingenioso acoplamiento de Stirling entre el movimiento de ambos pistones mantiene al pistón CALIENTE estacionado mientras el pistón FRIO penetra en el cilindro. Esto comprime el gas sin aumento de temperatura14. La energía sale y la presión del gas crece isotérmicamente.

7. Etapa de C a D15.

Así llegamos a D. Hemos transvasado calor desde una fuente caliente hacia una

fuente fría. La cuarta etapa completa el ciclo. Para llevar el sistema de D a A, el pistón

CALIENTE se mueve hacia fuera del cilindro y el pistón FRIO se introduce hacia dentro. Se mantiene el volumen constante en el proceso. Se transvasa del cilindro frío al caliente. El gas atraviesa el regenerador, se calienta gracias a la energía almacenada con anterioridad, simultáneamente se va enfriando hasta alcanzar las condiciones iniciales del ciclo. Volvemos a estar en A16.

8. Etapa final, corresponde al proceso de D a A17.

14 No aumenta la temperatura ya que el pistón está conectado a la fuente fría. 15 El pistón caliente se halla estacionado; a medida que el pistón frío se introduce en el cilindro, los estados que estimula escapan hacia la fuente fría. Este proceso corresponde a una compresión isoterma, con realización del trabajo sobre el gas frió. Imagen obtenida del libro: P. W. Atkins, La segunda Ley, página91. (Consultar Bibliografía). 16 El regenerador se encuentra listo para absorber calor otra vez y el ciclo puede empezar de nuevo. 17 El pistón frío se introduce en su cilindro, mientras el pistón caliente se mueve hacia fuera del suyo. El gas pasa del cilindro frío al caliente; sus átomos adquieren el estado SI al fluir por el regenerador caliente que se enfría a su vez. Imagen obtenida del libro: P. W. Atkins, La segunda Ley, página 92. (Consultar Bibliografía).

La máquina de Stirling extrae energía de alta calidad de una fuente caliente y la ceden a una fuente fría, se obtiene trabajo a expensas de la degradación de la energía.

El rendimiento del motor de Stirling viene dado por la expresión obtenida para el ciclo de Carnot: temperatura FRIA / temperatura CALIENTE.

En el diagrama indicador del motor de Stirling, el área encerrada por el ciclo es mayor que la correspondiente al ciclo de Carnot. Lo que significa que en cada ciclo del motor Stirling se obtiene más trabajo y más calor18.

Resulta eficiente, pero tiene un difícil manejo, lo que explica la completa

inutilidad de los primeros prototipos de la máquina19 . No obstante, un motor capaz de trabajar silenciosamente y con cualquier

combustible20ofrece ventajas obvias. La ingeniería moderna ha convertido al motor Stirling en un motor viable21.

Además, como es un motor de combustión externa, el combustible se quema en su integridad, lo que produce una menor contaminación.

El diseño típico de este motor podría semejarse al esquema de la figura

9. Diagrama esquemático del funcionamiento del motor Stirling22.

18 Así, el ciclo de Stirling resulta más adecuado para aplicaciones prácticas que el de Carnot, ya que cada vuelta del cigüeñal es más productiva. 19 Los acoplamientos entre los pistones frenaban el rendimiento por culpa de la fricción y el funcionamiento del regenerador distaba mucho de ser el ideal. 20 Incluidos combustibles no contaminantes como la luz solar. 21 Hoy en día se disponen de motores Stirling capaces de generar 5 000 caballos de potencia. 22 El pistón caliente (rojo) y el frío (azul) están en línea y conectados mediante las uniones en el cigüeñal. El regenerador se encuentra entre la región de combustión de los gases calientes y los serpentines refrigerantes. En la figura de la izquierda, los pistones están en la posición de máxima aproximación; la mayor parte del gas se encuentra en la zona caliente. En la figura de la derecha, con los pistones separados al máximo, la mayor parte del gas se encuentra en la zona fría.

El diagrama indicador correspondiente a su funcionamiento real:

10. Diagrama indicador de un motor de Stirling real, comparado con la forma ideal.

Aunque difiere del diagrama del ciclo ideal que hemos considerado hasta ahora,

su relación con él es manifiesta. Toda la máquina debe permanecer herméticamente cerrada23

23 El problema escriba en que lo que está sellado para la percepción humana, no lo está para los átomos. Se podría quemar hidrógeno, pero, a las altas presiones utilizadas el gas se difundiría a través de las paredes "macizas", y debería reponerse continuamente. No puede utilizarse, por tanto, en aplicaciones reales, un excelente fluido de trabajo por otra parte, con una viscosidad bajísima, que produciría muy pocas pérdidas por rozamiento cuando se transvasa de un cilindro a otro. Por ser la viscosidad del helio parecida a la del hidrógeno se emplea dicho fluido en las aplicaciones para vuelos espaciales. En el espacio, la fuente caliente es la radiación solar localizada y la fuente fría es un radiador que emite hacia el espacio en el flanco oscuro de la nave. El trabajo obtenido de este modo a partir de la energía solar se aprovecha para mover un generador.

Diseño de la experiencia: Para poder analizar el funcionamiento del motor Stirling, construí una versión

domestica gracias al diseño de Peter L. Tailer. Tailer construyó un motor basado en el modelo que desarrolló en 1876 A. K.

Rider24 . No es probable que ponga en apuros a los motores clásicos, por su escasa potencia útil, pero es fácil de construir con materiales corrientes y permite estudiar el proceso termodinámico que lleva asociado.

Esta versión no necesita ni cilindros ni pistones finamente torneados25. Se utilizan dos latas de refresco y dos depósitos para el agua que pueden ser dos latas, más grandes que las anteriores, de conservas.

�� Materiales: Tailer nos proporcionó instrucciones y planos detallados para construir este

motor, aunque los pormenores pueden variarse en función de los materiales disponibles: �� Alambre fuerte � Para construir el cigüeñal. �� 8 Placas de aluminio de 3 milímetros de grosor � Para construir los

cojinetes. �� 2 Brazos de madera � Para apoyar el cigüeñal. �� Polea de 20 centímetros de diámetro � El volante. �� 2 Latas de refresco � Los pistones. �� 2 Varillas de madera de 5 milímetros de diámetro por 90 centímetros de

largo � Las bielas. �� Pegamento de secado lento26 � Para unir las diferentes piezas. �� 2 Latas de conservas27 � Los depósitos. �� 3 Trozos de tubería de cobre de 20 milímetros de diámetro por 15

centímetros de longitud � El conducto que une ambos depósitos. �� 2 Codos de tubería de cobre � Para unir los trozos de tuberías y construir

un conductor con forma de U. �� Estaño de plata28 � Para soldar el conductor a los depósitos y unir el

conductor. �� Cinta de vinilo � Para el trozo de tubería que no se suelda, poder unirlo

sin que sufra pérdidas de fluido y tapar el agujero del drenaje. �� 2 Armellas � Para que las bielas no se desvíen de su camino. �� Pie de madera de 50 milímetros por 75 milímetros por 120 centímetros �

Para montar todo el motor sobre él. �� Tiras metálicas enrolladas � Que actúen como regenerador

24 A si mismo basado en el motor Stirling. 25 Como ocurre con otras versiones del motor Stirling y a todos los motores de combustión interna. 26 Soportan mejor el calor. 27 Las latas de melocotón en almíbar tienen el tamaño justo, ya que las de refresco se introducen holgadamente en ellas y su altura es la idónea. 28 Soporta mejor las altas temperaturas y es más resistente. Para su aplicación hay que lijar la zona a soldar, en este caso el tubo, y aplicar un ácido sobre esa superficie y la zona del bote. Por último de aplica el soldador para fundirlo (un soplete por que necesita muy altas temperaturas para fundirse el estaño de aluminio).

�� 12 arandelas, 6 tuercas, 2 pernos largos y 2 pernos cortos � Para unir el cigüeñal a las bielas.

�� Tornillos. �� Taladro �� Sierra �� Soplete �� Termómetro �� Cronómetro.

11. Motor Stirling, de Peter Tailer.

�� Construcción del motor: En la construcción de la máquina recibí ayuda de mi hermano de 14 años de

edad, David González Peña. El cigüeñal lo construí con el alambre fuerte, para que no se doble durante el

funcionamiento del motor, y descansa sobre dos placas de aluminio que sirven de cojinetes. En cada placa taladré orificios; en el borde superior corté sendas entallas donde apoyar el cigüeñal, para luego atornillarlas a un brazo de madera.

El volante es una polea de 20 centímetros de diámetro con un surco pensado para montar una correa. Como no encontraba ninguna polea con estas características, decidí fabricar una utilizando cartón duro reforzado con baños de cola blanca aguada y papel y poliespán. En el centro realicé un pequeño agujero para acomodar el cigüeñal con la ayuda del pegamento.

El alambre del cigüeñal tiene que sobresalir de los cojinetes de tal manera que sus extremos puedan cortarse y doblarse dejando sendos tramos de unos 5 centímetros perpendiculares al eje del cigüeñal. Estos tramos finales tienen que quedar perpendiculares uno al otro vistos de costado.

Con una sierra corté las tapas de dos latas de refresco. Las puse boca abajo y encolé las varillas de madera en sus tapas del fondo. En el montaje final del

motor, encolé los extremos superiores de estas bielas a una placa de aluminio cada una. A su vez cada placa va montada con tuercas y arandelas a un perno largo. Este perno atraviesa otras dos bandas de aluminio que están unidas a los extremos exteriores de las manivelas con un perno corto y una tuerca. El conjunto completo es denominado muñequilla del cigüeñal.

Hay que fijar cada lata de conservas a un trozo de tubería de cobre. En el fondo de cada lata practiqué cortes radiales con una navaja, forzando hacia el interior el trozo de tubo, que se abre paso por las aletas que hicieron los cortes. Dejé fuera de la lata unos dos centímetros de tubo. Soldé la junta del tubo con la lata. Una vez colocados los dos botes, los coloqué sobre sus extremos abiertos. A continuación soldé los codos a cada uno da los tubos, en su posición correcta.

Tomé el tercer trozo de tubería y abrí un orificio por la mitad. Suavicé los cantos y luego lo cerré con varias vueltas de cinta de vinilo. Ese agujero sirve como drenaje29.

Soldé este tubo al codo correspondiente al depósito caliente. Aseguré el codo del depósito frío con unas vueltas bien prietas de cinta de vinilo, de modo que el sistema pudiera posteriormente desmontarse30.

12. Montaje de tubos y latas. Construí un chasis sobre el que instalar los depósitos y que permitiera un fácil

acceso al drenaje. Después de pasar las bielas por las armellas atornilladas al pie que soporta el

aparato, fijé a las bandas metálicas externas de las muñequillas con el pegamento o con cinta adhesiva,

Para que el volante tuviera una masa suficiente que le permitiera completar la vuelta cuando el motor se pusiera en marcha, tuve que añadir peso31.

Por último engrasé los cojinetes y comprobé si el volante y las latas se mueven sin dificultad.

29 Sería mejor utilizar un trozo de tubo con drenaje, pero no disponía de ninguno. 30 De esta forma se puede añadir un regenerador o cambiarlo si se desea. 31 Sujetar tornillos o pernos o trozos de madera, etc. con cinta adhesivo.

Funcionamiento del artefacto de Tailer: Para poner a punto el motor, se rota el cigüeñal hasta que las manivelas queden a

45 grados respecto de la vertical. Luego con el drenaje abierto se llena el depósito frío de agua fría hasta que rebose el tubo y salga por el drenaje. Después se echa agua caliente en el depósito caliente hasta que también rebose. Se cierra el drenaje y se empieza a calentar el depósito caliente32.

El depósito caldeado es el acumulador de calor. El otro depósito es el

acumulador de frío. Su temperatura se mantiene por radiación y por convección térmica. Los depósitos llenos de aire33 hacen de cilindro. El tubo mismo o una esponja metálica que se introduzca en él hacen de regenerados. El órgano mecánico al que están unidas las latas es el volante.

Los dibujos de la figura muestran la respuesta del aire confinado en la parte

inferior del ingenio al calentamiento y al movimiento del volante. Se representan los niveles de las latas y del agua, la dirección del flujo del aire y las orientaciones de las manivelas para ocho etapas. Los rótulos de las manivelas indican si están conectados al depósito caliente o al frío.

13. Las ocho etapas del funcionamiento del ingenio.

Nuestro motor es similar al teórico pero carece de transiciones auténticamente isotérmicas y a volumen constante. Aún así, si representamos la presión del aire en función de su temperatura, describiría ciclos más o menos como los del motor teórico.

32 Puede hacerse con un soplete o con un mechero Bunsen, por ejemplo. 33 Donde se incluye el tubo que conecta los depósitos.

Para seguir el ciclo consideremos el motor cuando pasa por la etapa a, nada más salir de la etapa h. Durante a, la subida de la lata caliente es más rápida que el hundimiento de la lata fría. Luego las dos suben hasta llegar a c. A partir de allí la lata fría se eleva más rápidamente de lo que se hunde la caliente, hasta que llegan a d. Adviértase que, durante la transición de h a d, la lata caliente contiene más aire que la fría. Lo que significa que hay más aire calentándose que enfriándose, por lo que la presión del aire aumenta. También se observa que del paso de h a d el volumen del aire aumenta. Esta expansión es causada por la presión adicional, lo que significa que el aire efectúa trabajo sobre las latas y, por tanto, sobre el volante.

Las variaciones de volumen y de presión son exactamente las opuestas cuando el motor evoluciona entre d y h. El volante realiza trabajo sobre el aire. El movimiento neto de las latas comprime el aire. El desplazamiento del aire a la lata fría desminuye su temperatura y por lo tanto su presión. Durante la compresión la presión del aire es baja y por ello la presión que realiza el volante sobre el aire es menor que el realizado por el aire sobre el volante durante la transición de h a d. El aire realiza así un trabajo neto.

Recogida de datos: Se comprueba experimentalmente que la velocidad de rotación depende de la

diferencia de temperatura entre los dos depósitos. Sin la utilización de una esponja como regenerador no funciona. Realizó algún

amago de querer moverse pero no completó ninguna vuelta incluso cuando el agua del depósito caliente se encontraba a 96º centígrados y el del depósito frío a 16º.

Con la utilización del regenerador y manteniendo constante la temperatura del

depósito frío a 16ºC, obtuvimos los siguientes datos:

Temperatura depósito caliente. (ºC)

Temperatura depósito frío. (ºC)

Diferencia de temperatura.(ºC)

Vueltas por minuto.

87 16 71 4 89 16 73 6 91 16 75 9 93 16 77 14 95 16 79 20 97 16 81 28 99 16 83 30

Antes de llegar a una diferencia de temperatura de 71º C, el motor no se mueve o

realiza unos simples amagos, pero no llega a completar una vuelta.

Con la utilización del regenerador y manteniendo constante la temperatura del depósito frió a 5ºC, obtuvimos los siguientes datos:

temperatura depósito Caliente. (ºC)

Temperatura depósito frío. (ºC)

Diferencia de temperatura.(ºC)

Vueltas por minuto.

62 5 57 3 64 5 59 4 66 5 61 5 68 5 63 5 70 5 65 6 72 5 67 7 74 5 69 9 76 5 71 13 78 5 73 17 80 5 75 21 82 5 77 26 84 5 79 30 86 5 81 34 88 5 83 36 90 5 85 39 92 5 87 40 94 5 89 42 96 5 91 44 98 5 93 45

Antes de llegar a una diferencia de temperatura de 57º C, el motor no se mueve o

realiza unos simples amagos, pero no llega a completar una vuelta.

Análisis de datos: Con los datos obtenidos en la primera tabla, se obtiene la siguiente gráfica:

70

72

74

76

78

80

82

84

0 5 10 15 20 25 30 35

Vueltas por minuto

Dife

rnci

a de

tem

pera

tura

En el periodo en el que la diferencia de temperatura va de 71 a 75, la velocidad

aumenta poco, pero una vez que la diferencia de temperatura aumenta, la velocidad se incrementa de una forma muy llamativa. Una vez que el depósito de agua caliente se aproxima al punto de ebullición, el aumento de la velocidad se estanca, podríamos decir que llega a su punto de equilibrio a alrededor de 25-29 vueltas por minuto.

Con los datos obtenidos en la segunda tabla se obtiene el siguiente gráfico:

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 5

Vueltas por minuto

Dife

renc

ia d

e te

mpe

ratu

ra.

0

En este caso, manteniendo el depósito frío a unos 5ºC, se observa que comienza

a dar vueltas a una temperatura del depósito caliente menor. Esto se puede deber a que se alcanza una diferencia de temperatura alta en menos tiempo. Además también llega a dar más vueltas en la misma diferencia de temperatura y en el punto próximo al de ebullición realiza un 50 % más de vueltas.

En el periodo en el que la diferencia de temperatura va de 57 a 69, la velocidad aumenta poco, pero una vez que la diferencia de temperatura aumenta, la velocidad se incrementa de una forma muy llamativa. Una vez que el depósito de agua caliente se aproxima al punto de ebullición, el aumento de la velocidad se estanca, podríamos decir que llega a su punto de equilibrio a alrededor de 43 vueltas por minuto.

Conclusión: Según los objetivos observamos y analizamos que:

�� El motor no funciona sin regenerador, por lo que es imprescindible su uso para que el motor funcione.

�� La máquina funciona mejor cuanto mayor es la diferencia de temperatura y mayor es la des depósito caliente.

�� El ángulo de 90º que forman las manivelas es importante porque de esta forma la biela fría es arrastrada por la caliente y es obligada a girar, cosa que con otra disposición no se conseguiría.

Este tipo de motor es rentable, ya que realiza más trabajo del que necesita para

ponerse en marcha. Además puede hacerse funcionar con cualquier combustible, incluso los no contaminantes, siempre que puedan ser capaces de mantener una temperatura alta en el depósito de calor. Otra ventaja que ofrece es que es un motor silencioso. Podría no contaminar la atmósfera ni acústicamente.

Deberían utilizarse más este tipo de motores aunque supusieran grandes pérdidas a las empresas petrolíferas.

Anexo:

Mi diseño:

14. Imágenes de mi diseño del motor Stirling según Peter Tailer.

15. Depósitos34 y pistones con sus bielas.

16. Montaje de tubos con los depósitos.

34 De calor el de la derecha y de frío el de la izquierda.

17. Detalle del cigüeñal, biela y mecanismo de unión de ambas.

18. Volante con contrapesos, cigüeñales, cojinetes y bielas.

Resumen: El trabajo trata del estudio de un motor de combustión externa inventado por

Stirling en 1816. Particularmente, he estudiado una versión domestica creada por Tailer, y que permite la creación de este motor con materiales domésticos que son reutilizados y reciclados.

Este motor actúa indirectamente valiéndose de un intermediario conocido como

fluido motor, que en nuestro caso va a ser el aire. Además este motor tiene las características de que no contamina y es autónomo, silencioso y especialmente idóneo para la refrigeración, cuando opera a la inversa.

Su funcionamiento está basado en el segundo principio de la termodinámica.

Estos motores realizan trabajo basándose en un proceso cíclico y su objetivo consiste en convertir la mayor cantidad de calor de entrada en trabajo.

El auténtico motor Stirling necesita cilindros y pistones perfectamente pulidos y

que encajen perfectamente, por eso, su construcción durante años ha sido imposible, pero ahora la nueva tecnología lo hace viable.

De todas formas la versión que he realizado, no necesita esa perfección en los pistones ni en los cilindros; es fácil de construir con materiales corrientes y permite estudiar el proceso termodinámico que lleva asociado.

Una vez realizado el motor y analizado su funcionamiento, he comprobado

experimentalmente que la velocidad de rotación depende de la diferencia de temperatura entre los dos depósitos, que a mayor diferencia de temperatura más rápido gira, y que el motor no funciona sin regenerador.

También se observa la gran importancia que tiene el ángulo de 90º que forman las manivelas, porque de esta forma, la biela fría es arrastrada por la caliente y es obligada a girar.

Bibliografía:

��P. W. Atkins, La segunda ley, Biblioteca Scientific American, Prensa Científica, S. A. 1992-Barcelona.

��Revista: Investigación y Ciencia, edición española de

Scientific American. Tema 16: Calor y movimiento. 2º Trimestre-1999.

��Paul A. Tipler, Emeritus Professor of Physics Oakland University, Física, Editorial Reverté, S. A. 1992-Barcelona.

��S. S. Wilson, Sadi Carnot, Biblioteca Scientific American,

Prensa científica, S. A. 1992-Barcelona.

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