. PRESENTA: Bucio Hernandez Sergio Emiliano Feliciano Nava Saul Lopez Zenil Santiago Parral Zaragoza Paola Suzzet Martinez Aguilar Fernando Oliva Diaz Mauricio Arath ASESORA/ASESOR ACADÉMICO Villanueva Tavira Jonathan Tarea Integradora TERMODINÁMICA I EMILIANO ZAPATA, MOR, AGOSTO DE 2023 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EMILIANO ZAPATA DEL ESTADO DE MORELOS DIVISIÓN ACADÉMICA DE MECÁNICA INDUSTRIAL “ESTUFA SOLAR”
CONTENIDO CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................ 8 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTO TEORICO........................................................ 10 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ................................................... 12 CAPÍTULO 4. ENSAMBLAJE......................................................................... 15 4.1 Resultados ................................................................................................... 15 4.2 Conclusiones y Recomendaciones .............................................................. 16 REFERENCIAS ANEXOS
8 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN La búsqueda continua de alternativas sostenibles y eficientes para abordar los desafíos energéticos y medioambientales ha llevado a la exploración y aplicación de principios científicos en el diseño y desarrollo de tecnologías innovadoras. En este contexto, la termodinámica emerge como un campo crucial que fundamenta muchas de estas soluciones. El presente informe relata la experiencia de construcción y prueba de una estufa solar, un ejemplo emblemático de cómo la comprensión de los principios termodinámicos puede materializarse en una solución práctica y beneficiosa. La estufa solar, en su esencia, capitaliza la capacidad de la radiación solar para generar calor utilizable. En la construcción de esta estufa, se emplearon conceptos fundamentales de la Termodinámica 1, cuyo estudio abarca la transformación y transferencia de energía térmica. Mediante la adecuada reflexión y concentración de la radiación solar, así como la manipulación del flujo de calor, se logró crear un sistema que permite cocinar alimentos de manera efectiva y sostenible, sin la necesidad de fuentes convencionales de energía. Este informe detalla el proceso de diseño y construcción de la estufa solar, haciendo hincapié en la aplicación de los principios termodinámicos subyacentes. Además, se analizan los resultados de una prueba de funcionamiento realizada con éxito, donde se llevó a cabo la cocción de una sopa instantánea. Este ejemplo concreto ilustra cómo la teoría termodinámica se traduce en una aplicación real que no solo demuestra la viabilidad de las soluciones solares, sino que también refuerza la comprensión de los fenómenos térmicos.
9 A medida que desentrañamos los detalles de este proyecto, se vuelve evidente que la Termodinámica 1 no es simplemente una serie de ecuaciones abstractas, sino una herramienta poderosa que permite abordar desafíos reales con ingenio y creatividad. La construcción de la estufa solar se erige como un testimonio tangible de cómo los conceptos teóricos pueden materializarse en soluciones con impacto directo en la vida cotidiana. En las siguientes secciones, exploraremos en detalle el proceso de diseño, construcción y prueba de la estufa solar, y examinaremos cómo los principios termodinámicos fueron aplicados para lograr resultados concretos y exitosos.
10 CAPÍTULO 2.FUNDAMENTO TEORICO La construcción y operación de una estufa solar requieren una comprensión sólida de los principios termodinámicos subyacentes. En esta sección, exploraremos los conceptos clave que respaldan el funcionamiento de la estufa solar y cómo estos principios se aplican en el contexto de la radiación solar, la concentración de calor y la transferencia térmica. Radiación Solar y Reflexión: La base de la estufa solar radica en la captura y concentración de la radiación solar incidente. La radiación solar es una forma de transferencia de energía en forma de ondas electromagnéticas, que incluyen la luz visible y las radiaciones infrarrojas y ultravioletas. La antena pulida utilizada en este proyecto actúa como un reflector, redirigiendo y concentrando la radiación solar en un punto focal. El proceso de reflexión se rige por la ley de reflexión, que establece que el ángulo de incidencia de la radiación es igual al ángulo de reflexión. En el contexto de la estufa solar, la pulida antena actúa como un espejo que refleja la radiación solar hacia la base de metal que sostiene la olla. Este enfoque de concentración es fundamental para aumentar la intensidad de la radiación y, por ende, la cantidad de energía térmica capturada.
11 Transferencia de Calor y Termodinámica: La transferencia de calor es un proceso fundamental en la termodinámica que desencadena el flujo de energía térmica desde un cuerpo caliente hacia un cuerpo frío. En el contexto de la estufa solar, la transferencia de calor juega un papel crucial en la conversión de la radiación solar concentrada en calor utilizable. La estufa solar emplea tanto la conducción como la radiación térmica. La base de metal, donde se coloca la olla, sirve como conductora de calor, permitiendo que el calor se transfiera desde la superficie caliente hacia el interior de la olla. Además, la radiación térmica se manifiesta en forma de ondas electromagnéticas emitidas por la base caliente y absorbidas por la olla y su contenido.
12 CAPÍTULO 3.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN En esta sección, detallaremos el proceso de diseño y construcción de la estufa solar, resaltando los componentes clave y las decisiones tomadas para garantizar su funcionamiento óptimo. Selección de Materiales: • Base de metal • Antena pulida • Base de Alambre • Pequeña olla La base fue construida de metal debido a la resistencia del material. El uso de una antena para reflejar los rayos solares en una estufa solar es una estrategia eficaz para maximizar la captura de energía solar y mejorar la eficiencia térmica, ya que se puede acumular una mayor cantidad de energía solar en un área más pequeña, lo que aumenta la temperatura y la capacidad de cocción de la estufa solar. Esta técnica combina la ciencia de la termodinámica con la práctica de la ingeniería sostenible, lo que la convierte en una solución valiosa para cocinar alimentos de manera ecológica y rentable en áreas con acceso limitado a fuentes de energía convencionales.
13 Imagen 3.1. Cortes para la base. Imagen 3.2. Estructura inicial. Imagen 3.3. Realización de cortes. Imagen 3.4. Antena pulida.
14 Imagen 3.5. Soldadura de piezas base. Imagen 3.6. Piezas listas para ensamblaje. Imagen 3.5. Montaje.
15 CAPÍTULO 4. ENSAMBLAJE 4.1 Resultados Para esta actividad se hizo uso de principios de termodinámica, realizando un experimento que puede ser utilizado en la vida cotidiana como la cocción de alimentos. Cabe mencionar que se presentaron dificultades no necesariamente por nuestro proyecto, sino porque las condiciones climáticas no eran las óptimas, ya que se encontraba nublado, sin embargo, gracias al pulido final, los pocos rayos de luz, se aprovecharon de la mejor manera, al igual que el uso de nuestros ángulos de inclinación en los ejes de la antena, nos permitía ajustar de manera rápida y practica para el aprovechamiento de cada rayo que se pudiese tomar. Imagen 4.1. Montaje final.
16 Imagen 4.2. Montaje final en funcionamiento. 4.2 Conclusiones y Recomendaciones Los resultados de la prueba de funcionamiento demostraron el éxito de la estufa solar en cocinar la sopa instantánea de manera efectiva. La duración total del proceso, que fue de aproximadamente 2 horas y 15 minutos, puede ser atribuida a la capacidad de concentración y acumulación de calor de la estufa solar. La antena pulida y el sistema de ajuste del ángulo permitieron maximizar la captura de radiación solar y la reflexión hacia la base de la olla. La termodinámica juega un papel fundamental en esta prueba, ya que la conversión de la radiación solar en calor, junto con la transferencia de calor desde la base de la estufa hacia la olla, están gobernadas por los principios termodinámicos. El proceso de cocción también involucra la transferencia de calor desde la sopa al recipiente y el aire circundante, lo que puede ser analizado a través de los conceptos de conducción, convección y radiación térmica.
17 La exitosa cocción de la sopa instantánea no solo valida la eficacia de la estufa solar como una alternativa sostenible de cocción, sino que también demuestra cómo los principios termodinámicos pueden aplicarse en situaciones prácticas y cotidianas. La construcción y prueba exitosa de una estufa solar que utiliza una antena pulida como reflector de radiación solar representa un logro significativo en la aplicación de los principios de la termodinámica en un contexto práctico y sostenible. A lo largo de este proyecto, se demostró que la comprensión de la termodinámica es esencial para optimizar la captura y conversión de energía solar en calor útil. Los fundamentos teóricos, que incluyen la reflexión de la radiación, la transferencia de calor y la concentración de energía, fueron fundamentales para el diseño y la construcción exitosa de la estufa solar. La prueba de funcionamiento, que implicó la cocción exitosa de una sopa instantánea, subraya la efectividad de esta tecnología en la vida cotidiana. Los resultados no solo respaldan la viabilidad de la estufa solar como una alternativa sostenible y respetuosa con el medio ambiente para la cocción, sino que también resaltan la importancia de aplicar la termodinámica en soluciones prácticas. Recomendaciones: • Mejora del Ajuste de Ángulo: Para optimizar aún más la eficiencia de la estufa solar, se recomienda considerar un sistema de ajuste de ángulo más preciso y fácil de usar. Esto permitiría una mejor alineación con el sol y una captura más eficiente de la radiación solar durante todo el día.
18 • Aislamiento Térmico: Agregar aislamiento térmico a la base de la olla podría ayudar a retener el calor de manera más efectiva y reducir los tiempos de cocción, especialmente en días nublados o ventosos. • Exploración de Materiales Alternativos: Se puede investigar la posibilidad de utilizar materiales reflectantes alternativos que puedan ser más accesibles o económicos, sin comprometer la eficiencia. • Educación y Difusión: Promover la conciencia y la educación sobre las estufas solares y su potencial beneficio en comunidades que carecen de acceso a energía sostenible es esencial. Esto puede incluir talleres de construcción de estufas solares y la distribución de recursos educativos. • Investigación Continua: La investigación continua en el campo de las estufas solares puede llevar a mejoras constantes en diseño y eficiencia. Explorar otras aplicaciones de la energía solar en la cocción de alimentos y la purificación de agua podría ser un camino interesante para futuros proyectos. En conjunto, la construcción de la estufa solar y las recomendaciones futuras subrayan la importancia de la termodinámica en la búsqueda de soluciones sostenibles y la necesidad de continuar desarrollando tecnologías que aprovechen la energía solar para abordar los desafíos energéticos y medioambientales que enfrenta nuestro mundo.
REFERENCIAS • Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2014). Termodinámica: Un enfoque de ingeniería. McGraw-Hill. • Sandler, S. I. (2006). Termodinámica de ingeniería. John Wiley & Sons. • Tabor, H. (2013). Termodinámica para dummies. Grupo Planeta Spain. • Goswami, D. Y., & Kreith, F. (Eds.). (2015). Principios de energía solar. CRC Press. • Bernardes, A. M., Araújo, R. C., & Silva, C. G. (2016). Design and optimization of a low-cost solar cooker. Renewable Energy, 89, 181-188.