ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
LABORATORIO DE FENOMENOS Y FUNDAMENTOS DE TRANSPORTE PROFESOR: Gustavo Velázquez Corichi INTEGRANTES: Moctezuma Cuervo Edison Moisés Roberto Camacho Rojano Jesús Angel Quintanar
PRÁCTICA No 2: Calorimetría
GRUPO: 2IV33
NÚMERO DE EQUIPO: 4
FECHA DE ENTREGA: 05/OCT/2017
Objetivo General: Al te termino de la pr ctica, el alumno ser ser capaz de identificar y medir la trasferencia de calor, a trav es de un cuerpo so s olido.
Objetivos Espec Espec i ficos: f icos: 1. El alumno realizar realizar , el balance de calor total a trav es de una varilla s olida de bronce 2. El alumno, determinar determinar la cantidad de calor que se transfiere a trav es del cuerpo solido aplicando la ley de Fourier 3. El alumno determinar determinar la cantidad de calor perdido hacia los alrededores, mediante el c c lculo del coeficiente de transmisi on de calor 4. El alumno identificara, cuando se alcanza el estado estacionario de transferencia de calor, mediante un perfil de temperaturas
ANTECEDENTES TRANSPORTE MOLECULAR DE LA ENERGIA La ciencia de la termodin mica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de Energi Energ ia como Calor en los cuerpos de Materia. La Ciencia de la Transferencia de Calor está relacionada con la raz on de intercambio de Calor entre cuerpos calientes y fr ios llamados Fuente y Recibidor. Cuando C uando se vaporiza una libra de agua se condensa una libra de vapor, el cambio de Energ ia en los dos procesos es ide identico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con una fuente recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente, la Vaporizaci on es un feno fen omeno mucho m ms r pido que la Condensaci on. El estudio de la Transferencia de Calor se facilitar facilitar grandemente mediante una cabal comprensio comprensi on de la naturaleza del Calor. Sin embargo, emba rgo, esta es una ventaja que no esta f cilmente disponible para estudiantes de Transporte de Energ ia Termodin Termodin mica, ya que se han descubierto muchas manifestaciones del Calor, lo que ha impedido que una teor i teor ia simple las cubra a todas ellas. Para prop ositos de
Ingenier ia es necesario comenzar el estudio con informaci on b b sica acerca de los Feno Fenomenos de Transporte. Las fases de una sustancia simple, s olida, li l iquida y gaseosa, est n asociados con su contenido de Energ ia. En la fase so s olida las mole mol eculas tomos est estn muy cercanos, dando esto rigidez. En la fase l iquida existe suficiente Energ ia Termica para extender la distancia de las mol eculas adyacentes, de manera que se pierde la rigidez. En la fase gaseosa, la presencia de Energ ia Te Termica adicional resulta en una separacio separaci on relativamente completa de los tomos mole moleculas, de manera que pueden permanecer en cualquier lugar de un espacio cerrado. Tambi en se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la regi on cr itica, se involucra una gran cantidad de Energ ia en esa transici on. Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades T ermicas tienen diferente orden de Magnitud. Por ejemplo, el Calor Espec ifico por unidad de Masa es muy bajo para los s olidos, alto para los l iquidos, y usualmente, de valores intermedios para los gases. Asimismo, en cualquier cuerpo que absorba pierda Calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a si el cambio es de Calor latente, o Sensible, Sensible, o de Ambos. M s au aun, se conoce que tambie tambi en una fuente caliente es capaz de grandes excitaciones subat omicas, a tal grado que emite Energi Energia sin ningu ning un contacto directo con el recibidor, y este es el principio fundamental de la Radiaci on. Cada tipo de intercambio exhibe sus propias peculiaridades. Mecanismos de la transferencia de Calor. - Hay tres formas diferentes en las que el Calor C alor puede pasar de la fuente al recibidor, aun cuando muchas de las aplicaciones en la Ingenier i Ingenier ia son combinaciones de dos o tres, como en el caso de los fen omenos de transporte, la mayor i mayor ia de los casos, sino es que todos, estos interact uan entre sí, por lo que es muy dif i dif icil verlos aislados a cada uno. Estas formas son: Conducci on, Conveccio Conveccion y Radiacio Radiaci on. Conceptos B B sicos Calorimetr ia, es la Ciencia que se encarga de la medici on de cantidad de energ ia generada en un proceso de intercambio de calor. Calor imetro, es el instrumento de medici on que permite cuantificar la cantidad de energi energia calor ifica en un proceso de intercambio de calor, a trav es de la medicio medici on de variables tales como la temperatura y la capacidad calor i calor ifica de una sustancia, Calor, es una forma de identificar la presencia o ausencia de energ ia, en este caso calor ifica, mediante la presencia de un gradiente de temperatura, entre una sustancia caliente y una sustancia fr i fr ia. Tambie Tambien representa la cantidad de energ ia que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. Transferencia de Calor, es un proceso mediante, el que se intercambia energ ia en forma de calor entre distintos sustancias o cuerpos, o bien puede ser un mismo cuerpo, pero con diferente temperatura en diferentes regiones del cuerpo.
Formas de trasferencia de calor. El calor se transfiere principalmente por 3 mecanismos, que son convecci on, radiacio radiacion y conduccio conducci on. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simult neamente, generalmente uno de ellos predomina sobre los otros dos, dependiendo del proceso de estudio. Conduccio Conducci on, generalmente se asocia a los s olidos, en el sentido de que este mecanismo de transferencia es necesario el contacto entre la sustancia caliente y la sustancia fr i fr ia. Por ejemplo, Si se calienta un extremo de una varilla met lica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite transmite hasta el extremo m s fr io por conduccio conducci on. Ley de Fourier Q = kA dT/dx Convecci on, este n, este tipo de mecanismo de transferencia de calor, es asociado a los fluidos, debido a su constante movimiento. Por ejemplo, si existe una diferencia de temperatura en el interior de un l iquido o un gas, se produce un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado conveccio convecci on. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Esta dada por la ley de Newton de transferencia de calor Q = As h(T −Ta) Radiaci on, n, La transferencia de calor por radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducci on y la convección, esta diferencia es que las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vac io. La radiacio radiaci on es un te t ermino que se aplica gene genericamente a toda clase de fen omenos relacionados con ondas electromagne electromagneticas. Esta involucra la Transferencia de Energ ia Radiante desde una fuente a un recibidor, parte de la Energ ia se absorbe por el recibidor y parte es reflejada por el. Bas Basndose en la Segunda Ley de la Termodin mica, Boltzmann establecio estableci o la velocidad a la cu l una fuente de Calor es: dQ =σ ε dA T4 Esta se se conoce conoce como la Ley Ley de la Cuarta Cuarta Potencia Potencia,, T es la temperatur temperatura a absoluta, absoluta, σ es una constante adimensional , pero ε es un factor peculiar a la Radiaci on y se llama Emisividad, igual que la conductividad T ermica k o el Coeficiente de Transferencia de Calor h, debe tambi en determinarse experimentalmente Temperatura, es una magnitud f i f isica que mide la concentraci on de energi energ ia, esto significa que la temperatura es una propiedad f i f isica que mide que tan caliente o fr i fr io esta una sustancia. La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termo term ometros o termopares. Un term ometro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los cient ificos con el prop osito de comunicar y comparar sus resultados. Las dos mas utilizadas son las Celsius y Kelvin.
LEY DE FOURIER La ley de Fourier, establece que la densidad de flujo de calor por conducci on, es proporcional a un gradiente de temperatura, e inversamente proporcional a la distancia de propagaci on del calor. qx =k (dT/dx) Donde qx = cantidad o densidad de calor [=] cal cm-2 s-1 k = constante de conductividad de calor [=] cal cm-1 s-1 K-1 dT = gradiente de temperatura [=] K dx = gradiente de desplazamiento (propagaci on de calor) [=] cm
Esta ley aplica, para este caso en donde se considera que la cantidad de calor es constante y la propagaci on del calor es unidimensional (un solo sentido).
Calor por Flux conducción (Kcal/hm^2) (Kcal/h)
Temp °C
Long (m)
Qperdido
T1
30.66
0
0
T2
27.73
0.05
6093.75
0.47860313 0.39843901
T3
25.68
0.1
5179.6875
0.40681266 0.47022948
T4
24.61
0.15
4197.91667 0.32970438 0.54733776
T5
23.83
0.2
3554.6875
0.27918516 0.59785698
T6
23.14
0.25
3128.125
0.24568294 0.63135919
T7
22.85
0.3
2708.33333
T8
22.56
0.35
2408.48214 0.18916219 0.68787994
Q=j/S
1.02
Q=Kcal/h
0.87704213
Kbronce=Kcal/hm
104
0.87704213
0.2127125
0
0.66432963
104 At=πD^2/4
0.00007854
1,00 0,90 0,80 Calor por conducció n (Kcal/h)
r 0,70 h / l 0,60 a c k 0,50 r o 0,40 l a C
Qperdido
0,30 0,20 0,10 0,00 0
0,1
0,2 Longitud (m)
0,3
0,4
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
0
5
10
15 15
20
25
30
35
40
45
23. 44 22. 36 22. 07 22. 07 22. 07 21. 78 21. 78 21. 48
27. 05 24. 71 23. 24 22. 56 22. 27 21. 88 21. 78 21. 48
28. 42 25. 88 24. 12 23. 34 22. 66 22. 17 21. 97 21. 68
29. 79 27. 05 25. 10 24. 02 23. 24 22. 75 22. 46 22. 07
30. 08 27. 25 25. 20 24. 32 23. 54 22. 85 22. 56 22. 27
30. 37 27. 44 25. 49 24. 41 23. 63 22. 95 22. 66 22. 36
30. 47 27. 54 25. 59 24. 51 23. 63 23. 05 22. 75 22. 46
30. 57 27. 64 25. 59 24. 51 23. 73 23. 05 22. 75 22. 46
30. 66 27. 73 25. 68 24. 61 23. 73 23. 14 22. 85 22. 46
30. 66 27. 73 25. 68 24. 61 23. 83 23. 14 22. 85 22. 56
Regimen permanente 35 0 30
5
C ° 25 a r u t 20 a r e 15 p m e 10 T
10 15 20 25
5
30
0 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
35 40
Longitud (m)
ESTABILIZACIÓN 35 30
T1
25
T2
C ° 20 P M E 15 T
T3 T4
10
T5
5
T6
0
T7 0
10
20
30
TIEMPO (MIN)
40
50
T8
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
Temp °C
Tx-Ta
Qperdi do
T1
30.66
9.56
994.66
T2
27.73
6.63
689.98
T3
25.68
4.58
476.69
T4
24.61
3.51
364.98
T5
23.83
2.73
283.73
T6
23.14
2.04
212.63
T7
22.85
1.75
182.16
T8
22.56
1.46
151.69
Q=Kcal/h
0.87704213
Kbronce=Kcal/hm
104
Qperdido h=k/As
9458.32879
Tx-Ta 1200 1000 800 600 400 200 0 0
m 6.2832 As = 0.0109956
5
10
15
