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.
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.
1.1CALOR:
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 FahrenheitLa 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
180Entonces…
tºC
= 5·(tºF –
32º)
9tºF =9·tºC + 32º
5
Escala Kelvin o
AbsolutaEsta 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.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
- CAPACIDAD CALORIFICA:
- 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=
MASA1.7LEY JOUL
Antes de examinar en detalle que es la Potencia,
primero se debe de entender que es energíaSe 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
IDonde 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- MARCO
TEORICO - 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
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.
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.
- DORF, Richard; SVOBODA James. "INTRODUCCIÓN AL
ANÁLISIS DE CIRCUITOS". Ed. ALFAOMEGA. - SERWAY, BEICHNER." FÍSICA PARA CIENCIAS E
INGENIERÍA." Tomo II. Ed. Mc-Graw Hill, 5ta.
Edición - DEITEL, Harvey; DEITEL, Paul. "CÓMO PROGRAMAR
EN JAVA". Ed. Prentice Hall. 5ta. Edición. - http://www.unicrom.com/Tut_potencia_en_resistencia.asp
- http://usuarios.lycos.es/yxtzbldz85/newpage.html
http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/fisica/fisicaInteractiva/Calor/- http://www.educaplus.org/gases/tcm_y_t.html
DIEGO ERNESTO BALLÈN CANTOR
FÉLIX SEBASTIÁN RINCÓN
TOBO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE
CALDAS
INGENIERÍA ELECTRÒNICA
FÌSICA III
BOGOTÁ – COLOMBIA
14/04/2005