¿Cómo hacer un pistón de fuego y hasta que temperatura puede alcanzar?: Videos y fórmulas

Este es el video de la demostración. 1,000 cuadros por segundo para ver claramente como se hace fuego en una compresión adiabática.



El pistón de fuego es un juguete científico popular, consiste de una jeringa sellada con un poco de yesca (viruta de madera) en su interior. Cuando el pistón comprime el aire en el interior, la temperatura aumenta, logrando que la yesca se encienda.

Algunas tribus Filipinas y de la península Malaya han empleado este instrumento como encendedor. Por supuesto, desde la invención de los fósforos se ha convertido en obsoleto. Con todo, los motores de Disel emplean el mismo principio: compresión para calentar el vapor de combustible y encenderlo sin la necesidad de chispa.

Después realizar una demostración en el salón de clases, J A Scott-Brown y amigos decidieron calcular la temperatura que se puede alcanzar en este proceso termodinámico. Este es el resumen

Buscamos una fórmula que describa la temperatura T en el pistón, que tiene una sección trasversal de área A, que su longitud se reduce en x unidades. El pistón contiene n moles de gas con un calor especifico C. Por simplicidad, se asume que el gas es ideal, que no se pierde calor en los alrededores, y que la yesca tiene una masa despreciable y un calor especifico diminuto.

Primero, el trabajo es producto de la fuerza y la distancia (w = Fx), presión es la fuerza entre el área (P = F/A) y la ley de gases ideales (P = n R T/V) nos permiten construir la ecuación diferencial:





Como no hay pérdidas de calor en los alrededores; el calor realizado es igual a nCT, donde C es la capacidad calorífica molar del aire, y n es el número de moles del gas en el pistón. Emplearemos estos datos para hacer una sustitución en nuestra ecuación diferencial (donde introducimos la constante D):









Empleando las propiedades del logaritmo encontramos que 





Utilizando que las condiciones iniciales son x = x_0 y T= T_0; encontramos que la temperatura se puede escribir como:





Aplicando esta fórmula.


Para una temperatura de 27 grados centígrados, un pistón de 18 cm, que se comprime hasta alcanzar los 2 cm. Tenemos una temperatura de 289 grados centígrados. Más aun, si la persona pusiera todo su peso sobre el pistón, se podría llegar a una temperatura de hasta 541 grados centígrados. Por su puesto en un movimiento rápido, de otro modo no se alcanzarían tales temperaturas.


Finalmente un video donde explican cómo construir un pistón de fuego.



Referencias:


Scott-Brown, J., Cunningham, O., & Goad, B. (2010). How hot can a fire piston get? Physics Education, 45 (4), 328-329 DOI: 10.1088/0031-9120/45/4/F04

5 comentarios:

  1. Excelente experimento, se sabe que el empirismo es la llave del conocimiento cientifico gracias al "grandioso" sistema educativo de im país se dejan de lado estos principios cientificos sobre el conocimiento aprendiendo las partes netamente teoricas y que al final es conocimiento a medias si no sabes su aplicacion experimental.

    Estoy por empezar la universidad y me siento acomplejado con respecto a mi futuro, me doy cuenta que poco o nada me han enseñado en el colegio sobre lo que en realidad es la fisica. Y es precisamente Fisica teorica lo que quiero estudiar en la facultad.

    Muy buen blog. Felicitaciones.

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  2. jajajajaja que padre!!! ya se fijo que las personas que aparcen en el video parecen no tener sentido de la moda? jajajaja ademas yo puedo hacer con un cueton y una lata en navidad!!! :D jajaja

    por cierto, no me quiere ayudar a hacer un casco como el de Daft Punk??? es que utiliza luces led de colores que prenden y apagan y mi profesor de física nunca me enseño!!! :(

    saludos!!! cuidece prof, y siga divirtiendose!!!
    atte. Anna Karen :P

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    1. Anónimo9:41 p.m.

      Increible.. ahora si que no tengo duda alguna que la especie humana deciende de los simios..y algunos aun no han evolucionado..me siento orgulloso de pertenecer al grupo de humanos que tenemos conciencia de nuestra existencia..y eso se demuestra mirandonos a un espejo desnudos o con distinta ropa y poder reconocernos..y no burlarnos que quien se ve en el espejo..o intentar mirar atras del espejo a ver si ahi encontramos a ese desconocido que repote lo mismo que nosotros hacemos.....

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  3. @Diego. Felicidades por seguir tu vocación. Por favor, sin complejos, sí hay mucho que aprender y hacer, el camino es divertido.

    Saludos

    @Anna Karen Xoconostle. Gusto saber de Ud. Esas personas estan modo relax.

    Lo del casco, deja veo. ;)
    Saludos

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  4. Anónimo5:09 a.m.

    Las personas que usan el cerebro, no necesitan de las modas para darse a notar.

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