En que consiste la ingeniería Mecánica en Mantenimiento Industrial

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Velocidad final

Utilizando la fórmula de la Dinámica que dice que “el momento lineal o la cantidad de movimiento de un sistema es constante”, tendremos:

[pic 6]

Siendo m, la masa de los gases expulsados, por v, la velocidad de los mismos, es igual a M, la masa total del cohete, por3 V, la velocidad en ese momento. Para saber la velocidad que adquiere el cohete despejamos esta de la fórmula anterior y obtenemos:

[pic 7]

Esta fórmula nos indica que la velocidad del cohete depende de tres factores:

Su masa, la masa de los gases que expulsa por segundo y la velocidad de éstos. Por lo que para poder aumentar la velocidad del cohete deberemos disminuir su masa (M), aumentar la velocidad del chorro de gases (v) o aumentar la cantidad de gas expulsado por segundo (m), y de ser posible estas tres cosas a la vez.

La cantidad de gas expulsado y su velocidad de salida serán constantes sin embargo a medida que va consumiendo el combustible, la masa del cohete ira disminuyendo, por lo que la velocidad del este irá aumentando progresivamente hasta que alcance su límite máximo cuando el combustible se haya agotado por completo

Termodinámica del cohete

El cohete funciona a través de un proceso no cíclico, en este caso un proceso Isocórico.

[pic 8][pic 9]

En un cohete de Von Braun el principal proceso termodinámico que se realiza es el llamado proceso Isocórico. En estos procesos evidentemente el trabajo es cero y la primera ley de la termodinámica lo escribe como:

[pic 10]

Esto significa que si se agrega o quita calor a un sistema manteniendo el volumen constante, todo el calor se usa para aumentar o disminuir la energía interna del sistema.

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ósea que ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:

[pic 11]

[pic 12][pic 13]

Donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical.

Es un proceso a volumen constante, en consecuencia [pic 14]

Sabiendo que las temperaturas del combustible antes del despegue alcanzan los -182,96ºC (455,96ºK) y en pleno vuelo los motores alcanzan una temperatura de 2700ºC (2973ºK) podemos determinar de la ecuación de un gas ideal para un proceso isocórico que:

[pic 15]

Considerando de manera estimativa que la masa molar (n) es igual a 1, y R para la ecuación de los gases ideales es (8,31 J/mol * ºK), tendremos que el ∆U es igual a:

[pic 16]

[pic 17]

Del mismo modo sabiendo que obtendremos que:[pic 18]

[pic 19]

De esta forma es que según el enunciado de Kelvin—Planck:

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad igual de trabajo.

Sería correcto decir que "Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de trabajo".

Por esto es que, el motor de cohete no efectúa un proceso cíclico.

Conclusión

Es entendible la fascinación de Von Braun por el espacio, las estrellas y el interés por saber que hay haya afuera fue lo que lo llevo a investigar y especializarse en los viajes espaciales y en cómo desarrollar las tecnologías para despegar de la tierra.

La ciencia y la termodinámica nos ayudaron a entender como los procesos físicos y térmicos pueden explicarnos y hacernos entender cómo es que funcionan los cohetes y como es que el hombre consiguió superar la barrera del sonido y llegar al espacio.

Bibliografía

- Física diaria ~ La Física en la vida cotidiana, ¿Cómo funcionan los cohetes espaciales? Extraído de:

https://fisicadiaria.wordpress.com/2010/11/22/como-funcionan-los-cohetes-espaciales/

- Principios físicos de los cohetes: Porqué vuelan los cohetes Von Braun. Extraído de: http://historiaybiografias.com/cohete02/

- FISINDUSTRIAL. Proceso Isocórico. Extraído de:

https://fisindustrial.wordpress.com/tercer-corte/temas-de-clase-iii/procesos-termodinamicos/proceso-isocorico/

- Zemansky, Mark W. (1985). «Calor y termodinámica». Madrid: McGraw-Hill