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Proyecto de física: Suministro inteligente de energía térmica

Enviado por rinconsebastian



  1. Objetivos
  2. Marco teórico
  3. Marco práctico
  4. Conclusiones
  5. Causas de error
  6. Bibliografía

INTRODUCCIÓN

Hasta hace algunas décadas el análisis de los fenómenos físicos se realizaba a la luz de a mecánica clásica, mediante las concepciones newtonianas del macrocosmos. Luego a mediados de los setenta el estudio atómico entra en auge con las investigaciones y descubrimiento de científicos de la talla de Rutherford, Bohr y Plank.

Los fenómenos físicos a partir de entonces debieron ser descritos a nivel atómico, lo originó el nacimiento de la termodinámica. La relación entre energía y materia concebida por la termodinámica alcanzó fundamentos precisos que ahondaron en las descripciones tratadas por la mecánica newtoniana.

El desarrollo de la termodinámica ha representado diversas oportunidades para el desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida de los individuos. Hablamos de ventajas debidas al desarrollo científico además de la optimización en el empleo de recursos.

Uno de los procedimientos más significativos provistos por la termodinámica en la actualidad de la industria se refiere al suministro inteligente de energía térmica, a sistemas de diversa índole. Dicho procedimiento es la base para la optimización de la actividad financiera, destinando por ejemplo cantidades concretas de energía al funcionamiento de dichos sistemas.

También debe destacarse el surgimiento en los últimos años de los materiales inteligentes, que sufriendo un incremento determinado de temperatura respecto a otra de referencia, pueden alterar su constitución adoptando características de especial valor en la industria y otros sectores (dureza, maniobrabilidad, flexibilidad).

La investigación de sistemas termodinámicos también se ve favorecida, ya que mediante este método es posible cuantificar la energía calorífica aplicada a un sistema, estableciendo las formas en que ésta puede ocasionar un incremento o decremento en la energía interna de tales sistemas.

Actualmente la medida de la energía que se suministra a un sistema se realiza mediante el uso de complejos circuitos y precisos sensores que realizan excelentes aproximaciones de los valores teóricos correspondientes.

En el presente proyecto se presenta un modelo simplificado de dispositivo capaz de suministrar cantidades determinadas de energía térmica a un volumen específico de fluido, en procura de realizar un modelo que ejemplifique la importancia del procedimiento ya mencionado, que en asocio con otras herramientas de la ciencia provee a los individuos de los medios para hacer más confortable su existencia.

OBJETIVOS

GENERAL

  • Suministrar a un determinado volumen de agua una cantidad cuantificada de energía térmica, mediante el uso de un circuito electrónico capaz de transformar señales análogas en digitales.

ESPECÍFICOS

  • Comprender la relación existente entre las diferentes escalas de temperatura.
  • Determinar como el circuito en cuestión digitaliza la señal análoga proveniente del sensor de temperatura.
  • Comprender el funcionamiento del puerto paralelo para así poder analizar de una manera eficiente gran cantidad de variables físicas, como lo es la temperatura.
  • Entender claramente los conceptos de calor y temperatura.
  • Establecer un modelo matemático que permita relacionar la energía calorífica con la variación de la temperatura.
  1. 1.1CALOR:

    El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas, y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento, vibrando o chocándose unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacíos más fríos del espacio hay materia que posee calor.

    La energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética, la electrostática, la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría.

    1.2 TEMPERATURA:

    Los átomos y moléculas en una sustancia no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energía en las moléculas. En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven rápido y otras más lentamente.

    La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de una pequeña cantidad de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que dicha cantidad de agua.

    Cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo se piensa que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.

    El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

    1.3 ESCALAS DE TEMPERATURA:

    Escala Celsius

    Esta escala fue establecida por el astrónomo sueco Andrés Celsius (1701-1744). Su punto fijo inferior es la temperatura normal de fusión del hielo. Se obtiene colocando el termómetro en hielo machacado y en fusión. El nivel estable que alcanza el mercurio en esas condiciones se marca con el número cero. Su punto fijo superior es la temperatura normal de ebullición del agua. Se obtiene exponiendo el termómetro a los vapores de agua hirviendo. El nivel estable alcanzado por el mercurio en su dilatación se marca con el número cien.

    Marcados los puntos fijos, se divide el intervalo entre  0º  y  100º  en  100 partes iguales y a cada una se le da el valor de un grado Celsius o centígrado ( 1 ºC ). La graduación continúa de igual forma más allá de los puntos fijos.

     Escala Fahrenheit

    Fue establecida por el físico alemán Gabriel D. Fahrenheit. Su punto fijo inferior corresponde a la temperatura de una mezcla, en partes iguales, de hielo machacado y cloruro de amonio. Se introduce en ella el termómetro y se marca con el número cero el nivel alcanzado por el mercurio. Su punto fijo superior es el mismo de la escala Celsius, es decir, la temperatura normal de la ebullición del agua. El nivel alcanzado por el mercurio expuesto a los vapores de agua hirviente se marca con el número 212.

    El intervalo entre  0  y  212  se divide en 212  partes iguales y cada una es un grado Fahrenheit ( 1 ºF ). La graduación también continúa más allá de los puntos fijos.

    Relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit

    La temperatura normal de la fusión del hielo o  0ºC  corresponde a  32ºF. Para determinarlo basta introducir un termómetro graduado en escala Fahrenheit en hielo fundiéndose. Comparando los intervalos entre las temperaturas  de la fusión del hielo y la ebullición del agua de ambas escalas resulta una proporción que permite expresar grados Celsius en grados Fahrenheit y viceversa. Esta proporción es :

    TªC         =     tºF - 32 
    100                 180

    Entonces...                    

                 tºC  =   5·(tºF - 32º)
                             9

    tºF =9·tºC + 32º

    5

     Escala Kelvin o Absoluta

    Esta escala tiene sus grados iguales a los grados Celsius, es decir, al intervalo de  100ºC corresponden  100ºK. Pero en ella existe un solo punto fijo que corresponde a la temperatura más baja medida hasta ahora a la que le da el valor de  0ºK  y se denomina  cero absoluto, por lo tanto en la escala Kelvin no existen las temperaturas negativas. El  0ºK corresponde a una temperatura de  -273ºC, lo que permite establecer la siguiente relación entre ambas escalas:            

                   tºC  =  tºK  -  273º

                  tºK  =  tºC  +  273º

     

    1.4 TERMÓMETRO:

    Un termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura, basado en el efecto que un cambio de temperatura produce en algunas propiedades físicas observables y en el hecho de que dos sistemas a diferentes temperaturas puestos en contacto térmico tienden a igualar sus temperaturas.

    Entre las propiedades físicas en las que se basan los termómetros destaca la dilatación de los gases, la dilatación de una columna de mercurio, la resistencia eléctrica de algún metal, la variación de la fuerza electromotriz de contacto entre dos metales, la deformación de una lámina metálica o la variación de la susceptibilidad magnética de ciertas sales paramagnéticas.

    El termómetro de dilatación de líquidos es el más conocido. Consta de una ampolla llena de líquido unida a un fino capilar, todo ello encerrado en una cápsula de vidrio o cuarzo en forma de varilla. La sensibilidad que se logra depende de las dimensiones del depósito y del diámetro del capilar, y en los casos más favorables es de centésimas de grado.

    El rango de temperaturas en que es más fiable depende de la naturaleza del líquido empleado. Por ejemplo, con alcohol se logra buena sensibilidad y fiabilidad entre -100 ºC y 100 ºC, mientras que el termómetro de mercurio es indicado entre -30º y 600 ºC.

    1. La capacidad calorífica de un cuerpo es la razón de la cantidad de calor que se le cede a dicho cuerpo en una transformación cualquiera con la correspondiente variación de temperatura. La Capacidad calorífica depende de la masa del cuerpo, de su composición química, de su estado termodinámico y del tipo de transformación durante la cual se le cede el calor.

      Q=CALOR

      C=CAPACIDAD CALORIFICA

      DELTA T= VARIACION DE TEMPERATURA

    2. CAPACIDAD CALORIFICA:
    3. CALOR ESPECIFICO

    Es la cantidad de calor medida en calorías, que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia un grado centígrado. El calor específico es representado algunas veces por medio del número de unidades termales británico necesarias para elevar la temperatura de una libra de una sustancia un grado Fahrenheit. El calor específico del agua es una caloría por grado; esto es, que una caloría de calor debe ser sustituida para que un gramo de agua eleve su temperatura un grado centígrado.

    De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Therese Petit, el calor específico de los elementos sólidos es inversamente proporcional a su peso atómico ; que es, el calor específico multiplicado por el peso atómico es aproximadamente una cantidad constante para todos los elementos sólidos.

    c=C/M

    c = CALOR ESPECIFICO C= CAPACIDAD CALORIFICA M= MASA

    1.7LEY JOUL

    Antes de examinar en detalle que es la Potencia, primero se debe de entender que es energía

    Se puede entender como energía a la capacidad que se tiene para realizar algo.
    Por ejemplo, si se conecta una batería o pila a un foco o bombillo incandescente se observa que esta energía se convierte en luz y también se disipa en calor.

    La unidad de la energía es el julio (J) y la rapidez o velocidad con que se consume esa  energía (se deja el bombillo encendido gastando energía en luz y calor) se mide en julios/segundo. A esto se le llama Potencia.

    La fórmula es:    P = W / T (energía por unidad de tiempo)

    Si se consume un Julio en un segundo se dice que se consumió un Watt (Vatio) de potencia.

    Existen varias fórmulas que nos ayudan a obtener la potencia que se consume en un elemento en particular.

    Una de las mas conocidas es:  P = V x I

    Donde V es el voltaje e I es la corriente del elemento en cuestión.

    Para el caso de las resistencias, se pueden utilizar también las siguientes fórmulas:

     - P = V2 / R (aquí no se conoce la corriente):  Si se Conoce el valor de la resistencia y el voltaje entre sus terminales
     - P = I2 x R (aquí no se conoce el voltaje): Si se conoce el valor de la resistencia y la corriente que la atraviesa

  2. MARCO TEORICO
  3. MARCO PRACTICO

2.1 MONTAJE

2.1.1 DESCRIPCION

De una manera general, el sistema recibe información por la sonda de temperatura, dicha información es enviada al computador por el puerto paralelo, en donde es procesada y se toma una decisión. Los datos de salida se envían al exterior por el mismo puerto, con el fin de controlar la resistencia de calentamiento que sirve para modificar la temperatura del, agua, durante el proceso de calentamiento, se toma constantemente la temperatura.

2.2 INTERFASE

2.2.1 Diagrama

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

2.2.2 Descripción

La interfase nos permite tomar la temperatura (señal analógica) que genera el sensor(lm35), el cual varia su voltaje a razón de 10mv/ºc. Por medio del circuito integrado ADC0804(conversor análogo digital) transforma dicha señal en una digital de 7 bits que se ingresa al computador mediante el puerto paralelo.

Además la interfase recibe información del puerto paralelo, y controlar una resistencia de calentamiento que sirve para elevar la temperatura del agua.

2.2.3 ELEMENTOS DE LA INTERFASE

Conversor Análogo Digital

Un convertidor análogo/digital es un circuito integrado que convierte señales análogas en datos binarios: 0s y 1s.

El convertidor análogo/digital ADC0804 es un circuito integrado capaz de convertir una muestra analógica entre 0v y 5v, en un valor binario de 8 dígitos binarios. Para saber la resolución del convertidor tenemos que saber el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. Como ejemplo vamos a hacer los cálculos para el ADC0804.

Vcc: voltaje positivo de alimentación
AGND: tierra del sistema análogo
DGND: tierra del sistema digital
Vin(+): Terminal positiva del voltaje de entrada
Vin(-): Terminal negativa del voltaje de entrada
DB7-DB0: salidas de la conversión digital, con DB7 el MSB y DB0 el LSB
CLKin: entrada de reloj
CLKr: salida del reloj cuya frecuencia depende de una resistencia y un condensador externos
CS: chip select, para que el ACD0804 funciones debe estar en low
RD: cuando este pin esta en low, las salidas tristate están activas y se puede leer el dato
WR: cuando va a low, el proceso de conversión se inicia
INTR: genera una interrupción de nivel low cuando finaliza el proceso de conversión
Vref/2: este pin debe ser alimentado con la mitad del rango de voltaje analógico máximo que va a recibir el ADC0804 por el pin Vin(+). Ejemplo: para un rango de entrada entre 0v y 2v el valor de Vref/2 será igual a: (2 )/2 o sea 1v

Sensor Temperatura

El sensor de temperatura utilizado, es el circuito integrado LM35D de National Semiconductors
Características principales

El circuito integrado LM35D es un sensor de temperatura cuya tensión de salida es linealmente proporcional con la temperatura en la escala Celsius (centígrada) . Posee una precisión aceptable para la aplicación requerida, no necesita calibración externa, posee sólo tres terminales, permite el censado remoto y es de bajo costo

  • Factor de escala : 10mV/ºC ( garantizado entre 9,8 y 10,2mV/ºC)
  • Rango de utilización : -55ºC < T < 150ºC
  • Precisión de : ~1,5ºC (peor caso)
  • No linealidad : ~0,5ºC (peor caso)

Resistencia De Calentamiento

CORRIENTE = 6.3 AMP

VOLTAJE = 120Vac

POTENCIA = I x V = 6.3 x 120 = 756 watts

ENERGIA = POTENSIA x TIEMPO(seg)

2.3 SOFTWARE APLICATIVO

2.3.1 INTERFASE GRAFICA

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

2.3.2 DESCRIPCIÓN

El programa es una aplicación JAVA. El sentido de la aplicación consiste en suministrar una cantidad específica de energía térmica al fluido. Esta se especifica en el único cuadro de texto de la aplicación.

Para ello primero debe determinarse la temperatura inicial del fluido, que puede ser agua o aceite como bien puede observarse; para ello se presiona el botón temperatura.

Al momento de elegir un determinado fluido se pide al usuario que digite la masa del mismo para la realización de los cálculos. La temperatura final del sistema se determina mediante la ecuación del calor específico (esto es posible ya que para esta instancia la única variable desconocida es la temperatura final).

Posteriormente, ya realizado esto, se procede a suministrar la energía térmica presionando el botón "INICIAR". Simultáneamente al realizar esta operación se da la orden de "encender" a la resistencia que está sumergida en el fluido (comenzando a transferir energía a este). El programa constantemente se encuentra leyendo datos del puerto paralelo, deteniendo su ejecución hasta que el sensor de temperatura registre una de igual o mayor magnitud a la final ya calculada (dando simultáneamente la orden "apagar" a la resistencia inmersa en el fluido), Para este punto se habrá generado una diferencia de temperaturas que es inducida por la aplicación de la energía térmica inicialmente estipulada por el usuario.

2.4 CALCULOS

2.4.1 CALCULOS GENERALES

El sistema va a medir temperaturas de 0 ºC a 100 ºC., rango en el cual el "LM35" variara su voltaje 0,01v por grado centígrado, esta escala de 100 se dividirá a la vez en 128 parte, esto lo hará el integrado "ADC0804"

Por tanto

Es decir mientras que la temperatura en grados centígrados entre los puntos de fusión y ebullición tiene 100 divisiones en los datos binarios van a ser 128 divisiones.

Como el dato que se obtendrá en el computador será TºB para hallar la temperatura en grados centígrados será:

Y con este dato es que se procesa la información en el computador.

ENERGIA TERMICA SUMINISTRADA

TEMPERATURA FINAL

CONCLUSIONES

La energía térmica suministrada Por la resistencia, nunca fue exacta con la energía térmica calculada y hallada prácticamente, pues el sistema pierde energía que se disipa en el medio ambiente, además no toda la energía disipada por la resistencia se convierte en calor.

La temperatura final que se halla teóricamente varia un poco respecto a la que se obtiene por medio del sensor de temperatura, pues en ocasiones la temperatura medida, varía un poco.

En algunos casos se obtuvieron buenas aproximaciones de a los valores teóricos, pues hubo una medida de temperatura bastante aceptable.

CAUSAS DE ERROR

Pérdida de energía calorífica por conducción y radiación.

Presencia de picos en la medida de temperatura.

Evaporación del líquido Al aumentar la temperatura del líquido, y Ali mismo variando su masa en cada medición.

No toda la energía disipada por la resistencia se convierte en energía calorífica.

Baja velocidad de respuesta del lm35 durante un cambio rápido de temperatura.

Por falta del movimiento del líquido no siempre hay una buena distribución de la energía calorífica.

BIBLIOGRAFIA

DIEGO ERNESTO BALLÈN CANTOR

FÉLIX SEBASTIÁN RINCÓN TOBO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

INGENIERÍA ELECTRÒNICA

FÌSICA III

BOGOTÁ - COLOMBIA

14/04/2005


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