Guia de Laboratorio Termodinamica

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Segunda Edición

FACULTAD DE INGENIERIA UPSA 2014

Gu ía d e L ab o ra to r io A y u d an tía d e Ter m o d in ám ic a Materia:

Termodinámica

Docente:

Ing. Oscar Dimov Vargas Antezana

Auxiliar:

Bruno Orlando Castedo Beltran

Nombre: Registro: Carrera:


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Índice LABORATORIOS o

Calor especifico de un metal (página 3)

o

Temperatura (página 7)

o

Determinación de presión con un manómetro de fluidos (pág 11 )

o

Cambios de estado del agua (página 14)

o

Cilindro- Embolo (página 17)

o

Cámara de Mezcla (página 20)

o

Maquina térmica (página 25)

o

Cambio de entropía de un liquido a volumen constante (página 29)

o

Presiones (página 32)


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Calor Específico de un Metal 

1 Calos Específico de un Metal o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1. Determinación del Calor Específico de un Sólido



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos - Determinar el calor específico del Cobre (Cu). - Comprobar experimentalmente la ley cero de la Termodinámica.

Introducción Diferentes sustancias requieren diferentes cantidades de calor para producir un cambio dado en su temperatura. Por ejemplo, para incrementar la temperatura de de agua en una cantidad de temperatura se requiere alrededor de 10 veces más calor que para incrementar en esta misma cantidad la temperatura de de cobre. Este comportamiento de los materiales es caracterizado cuantitativamente por el calor específico, que es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de de sustancia en 1°C. Así, el agua tiene un calor específico de mayor valor que el cobre. El calor específico de un material es característico para cada sustancia y depende de su estructura interna. Como puede ser visto de la definición, el calor específico de una sustancia dada puede ser determinado mediante la entrega de una cantidad de calor conocida a una cantidad de masa determinada de la sustancia y con un apropiado registro del cambio en su temperatura. El propósito de este experimento es determinar el calor específico de un material en particular mediante los métodos de calorimetría.

Teoría Una variación en la temperatura de una sustancia es proporcional a la cantidad de calor que se agrega o extrae de esta, o sea:


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Escrito en forma de ecuación

Donde la constante de proporcionalidad sustancia.

es llamada capacidad calorífica de la

Sin embargo la cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de un objeto es también proporcional a la masa de este, por lo tanto es conveniente definir la cantidad llamada capacidad calorífica calorífic a específica (o calor específico)

Que es la capacidad calorífica por unidad de masa de la sustancia. Así, la ecuación (1) puede ser escrita como:

Donde el calor específico es la cantidad de calor (en calorías) necesaria para incrementar la temperatura de 1 gramo de sustancia en 1 grado Celsius. De hecho, la caloría es la unidad de calor definida como la cantidad de calor requerido para incrementar la temperatura de de agua en 1°C. Por definición, el agua tiene un calor específico de .

El calor específico de un material puede ser determinado experimentalmente midiendo el cambio de temperatura que presenta una determinada masa del material al entregarle una cierta cantidad de calor. Esto puede ser realizado indirectamente por un procedimiento de calorimetría conocido como el método de mezclas . Varias sustancias a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, las sustancias calientes entregan calor a las sustancias frías hasta que todas las sustancias alcanzan una temperatura de equilibrio común. Si el sistema está aislado de manera que no pueda intercambiar calor con sus alrededores, por conservación de energía, la cantidad de calor que pierden las sustancias calientes es la misma que ganan las sustancias frías.


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I. Determin ación d el Calor Esp ecífico de u n Sólido

Equipamiento Requerido - 1 calorímetro - 1 termómetro de mercurio - 1 vaso precipitado de - 1 calentador eléctrico de

(o aplicar el calor por media de un mechero de Bunsen)

- 1 trozo de Cobre (barra metálica color rojizo) - 1 guante térmico Procedimiento 1. Medir la masa del metal y depositarlo en el calorímetro. 2. Añadir al calorímetro calorímetr o de agua a temperatura ambiente previamente pesada. Observe la lectura del termómetro y cuando se estabilice, registre su valor como (Temperatura inicial sistema calorímetro, agua y barra de cobre) en la tabla que se muestra más adelante. 3. Caliente en un vaso precipitado de agua a una temperatura aproximada de 50°C 50°C y registre registre esta tempera temperatura tura como como . Vierta Vierta esta cantida cantidad d de agua agua calien caliente te (previamente pesada ) en el calorímetro y ciérrelo. Homogenice la temperatura de la mezcla agitando suavemente el calorímetro. Espere unos segundos hasta que la temperat temperatura ura llegue llegue a un un valor valor estaciona estacionario rio y registr registre e esta temperat temperatura ura como como . 4. Luego de anotar los datos en la tabla, determine el calor específico del cobre ( ) aplicando la ley de la conservación de la energía. 5. Realice el procedimiento anterior tres veces.


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Nota: El valor experimental de

La desviación estándar (

debe ser reportado como:

) está dada por:

Preguntas

1) ¿Qué expresa la ley cero de la termodinámica y en que parte de este experimento está presente? 2) ¿Cuál es el valor experimental reportado por su grupo para el calor específico del cobre ? 3) Probablemente el valor de obtenido por su grupo tiene un gran porcentaje de error en comparación con el valor reportado en la tabla 1. Identifique las posibles fuentes de error en la medición de . 4) ¿Qué aspectos del procedimiento experimental podrían ser mejorados para obtener un valor del calor específico del metal con un menor porcentaje de error? C o n c l u s i o n e s (personal por grupo)


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Temperatura 

1 Temperatura o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1. Determinación de las temperaturas



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos

*Comprender el fundamento termodinámico de la medición de la temperatura *Construir la curva de calentamiento del agua *Obtener mediciones de temperatura con tres termómetros distintos y para cada uno Determinar: - Rapidez de respuesta - Facilidad de lectura - Rango Bases teóricas Temperatura

Definir la temperatura no es una cosa sencilla, frecuentemente se dice que la temperatura es una propiedad termodinámica intensiva que ayuda a clasificar a los sistemas como calientes o fríos. Esta forma de definir a esta propiedad en ocasiones es confusa y ambigua. Sin embargo, podemos decir que la temperatura es la propiedad termodinámica que se encuentra asociada al equilibrio térmico, o bien, es la propiedad que establece cuando dos o más sistemas que interaccionan entre sí, se encuentra en un estado térmico de equilibrio. Equilibrio Térmico.

El equilibrio térmico se presenta cuando dos sistemas, uno a mayor temperatura que el otro, se ponen en contacto; en el sistema de mayor temperatura, al transcurrir transcurr ir el tiempo, su temperatura disminuye y por el contrario, el sistema que inicialmente tenía baja temperatura, aumenta, de tal manera que la diferencia de temperaturas disminuirá. Si ambos sistemas se encontraran aislados del entorno y únicamente se presenta la interacción entre ellos, la diferencia en el valor de sus propiedades disminuirá de tal manera que ambos lleguen a las mismas condiciones, y por tanto a la misma temperatura, en este momento los sistemas se encuentran en Equilibrio Térmico. Bruno Orlando Castedo Beltran

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Ley Cero de la Termodinámica. Esta ley establece que si un sistema “A” se encuentra en equilibrio térmico con un sistema “B” y si a su vez el sistema “B” se encuentra en equilibrio con un sistema “C”,

forzosamente los tres sistemas se encuentran en equilibrio térmico entre sí.

Termómetros

Para conocer la temperatura de un sistema termodinámico se utilizan los instrumentos conocidos como termómetros y cada uno de éstos tiene su principio de operación, se encuentran los siguientes: *Termómetro de bulbo con mercurio (comúnmente conocido como termómetro de mercurio). *Termómetro Bimetálico. *Termopar. *Termómetro de gas a presión constante *Pirómetro de radiación. Existen diferentes propiedades de las sustancias que se encuentran asociadas a la propiedad termodinámica llamada “Temperatura”, como son: longitud, volumen,

resistividad eléctrica, etc., esto significa que al modificar alguna sustancia su temperatura, modificará también las propiedades mencionadas; bajo este principio es como operan los termómetros. Escalas de temperatura:

Escala Celsio (°C) Escala Fahrenheit (°F) Escala Kelvin (K) Escala Rankine (°R) Material Cantidad

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Material

Termómetro de bulbo con mercurio mercuri o Termopar de cromel-alumel cromel- alumel (color amarillo) Termómetro Bimetálico Vaso de precipitados de 250 (ml) Parrilla eléctrica Soporte Universal Pinza para bureta Pinza para termómetro Cronómetro analógico Agitador magnético Multímetro Multímetr o digital


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Desarrollo

1. Ensamble el equipo tal como se muestra en la figura No. 1, cuidando que los termómetros estén lo más juntos posible sin tocarse entre sí, y sin tocar el recipiente. Nota: Que el termopar no toque nunca la parrilla ni las paredes de vaso de precipitados. 2. Tomar las lecturas iníciales de temperatura en cada termómetro 3. Prender la parrilla a su máximo nivel de calentamiento y agitación media. 4. Tomar cada medio minuto las lecturas de temperatura de cada termómetro, hasta que el agua esté en ebullición. 5. Una vez que el agua ha hervido apagar la parrilla y retirarla con cuidado Esquema


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Obtener:

Rango: Es el intervalo que puede medir el termómetro. Nota: El rango del termopar se consulta en la bibliografía. Rapidez de respuesta: Se toma como la pendiente de las curvas de ajuste, la ordenada al origen es el error de calibración. Facilidad de lectura: Es un valor que se asigna según el criterio del experimentador. Análisis de de resultados

Conclusiones


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Determinación de la presión con un manómetro de fluidos 

1. Segunda ley de la termodinámica o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos -

Determinar la presión del aire en el sistema

Introducción Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión valor presión manométrica; dichos manométrica; dichos aparatos reciben el nombre de manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los barómetros de mercurio y los aneroides.

Teoría Manómetro de dos ramas abiertas

Estos son los elementos con los que se mide la presión positiva, estos pueden adoptar distintas escalas. El manómetro más sencillo consiste en un tubo de vidrio doblado en

∪

que contiene un líquido apropiado (mercurio, agua, aceite, entre otros). Una de las ramas del tubo está abierta a la atmósfera; la otra está conectada con el depósito que contiene el fluido cuya presión se desea medir (Figura 1). El fluido del recipiente penetra en parte del tubo en ∪, haciendo contacto con la columna líquida. Los fluidos alcanzan una configuración de equilibrio de la que resulta fácil deducir la presión manométrica en el depósito: resulta: Bruno Orlando Castedo Beltran

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Donde ρm = densidad del líquido manométrico. ρ = densidad del fluido contenido en el

depósito. Si la densidad de dicho fluido es muy inferior a la del líquido manométrico, en la mayoría de los casos podemos despreciar el término ρgd , y tenemos:

patm es proporcional a la diferencia de alturas que De modo que la presión manométrica p- p

alcanza el líquido manométrico en las dos ramas. Evidentemente, el manómetro será tanto más sensible cuanto menor sea la densidad del líquido manométrico utilizado.

I. Determinación de la presión con un manómetro de fluidos

Equipamiento Requerido -1 base de cartón - 1 manguera pequeña de plástico -Pequeños alambres para unir la manguera al cartón -1 globo de hule o “vejiga” -Agua y Aceite

Procedimiento Armar el cartón cartón con la manguera, manguera, dándole forma de de “w” - Armar

-llenar parte de la manguera con aceite y agua -Inflar un globo y unirlo a cualquiera de los extremos de la manguera -Tomar un sistema de referencia, medir las alturas que se van a utilizar y por medio de cálculos obtener la presión en el globo Preguntas

1) ¿Qué es un manómetro? 2) Definir presión 3) ¿Cuál es la presión atmosférica en santa cruz? Y ¿porque no es la misma en la paz? Bruno Orlando Castedo Beltran

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Conclusiones (Personal por grupo)


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Cambios de estado del agua 

1 Cambios de estado del agua o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1. Determinación de las diferentes propiedades en cada estado



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos - Determinar los diferentes cambios de fase en el Agua. - Determinar las diferentes propiedades en cada estado, haciendo el uso correcto de las tablas termodinámicas. - Realizar correctamente las graficas P-v, y T-v.

Introducción En física En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el sólido, el líquido líquido y el gaseoso el gaseoso. De acuerdo a cada estado de la materia presenta diferentes propiedades, en el caso del agua, que es la materia con la que vamos a trabajar, tienen mucha relación sus estados de acuerdo a sus propiedades, que podrían variar en nuestro caso, la temperatura, la presión, el volumen especifico, la energía interna, la entalpia y la entropía.

Teoría Esta práctica introduce el concepto de sustancias puras y el análisis del cambio de fase de líquido-vapor. Se pretende obtener algunos puntos que permiten realizar una representación aproximada del diagrama de cambio de fase P-v y T-v. Repetidas observaciones y experimentos has mostrado que, para una sustancia pura simple y compresible dos propiedades intensivas e independientes son necesarias y suficientes para establecer el estado termodinámico del sistema. Esta observación no se Bruno Orlando Castedo Beltran

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deduce de otros teoremas más fundamentales, así que se le asigna la misma categoría que a las otras leyes termodinámicas. Así, el comportamiento comportamiento observado observado en una sustancia pura, simple y compresible compresible se resume resume en el postulado de estado, que se define como: Dos propiedades termodinámicas intensivas e independientes bastan para establecer el estado termodinámico estable de una sustancia pura simple y compresible. Las propiedades termodinámicas pueden ser la presión, temperatura, volumen, energía interna, etc.; a estas propiedades no pertenecen las propiedades geométricas, como la forma o la elevación, ni la velocidad. Estado estable significa un estado de equilibrio, el postulado de estado no es aplicable a estado en desequilibrio. Líquido comprimido y líquido saturado.

Consideremos un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20 °C y 1 atm. En estas condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o Líquido subenfriado. Si se transfiere calor al agua hasta aumentar su temperatura a, 40 °C a medida que aumenta la temperatura, el agua líquida se expande un poco y por consiguiente aumenta su volumen específico, debido a esta expansión el émbolo sube ligeramente, la presión el cilindro permanece constante en 1 atm durante este proceso porque depende de la presión barométrica externa y el peso del émbolo, que son constantes. El agua es aún un líquido comprimido en este estado puesto que no ha comenzado a evaporarse. Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumenta hasta alcanzar 100 °C punto en el que el agua todavía permanece líquida, pero cualquier adición de calor hace que se evapore un poco de agua; es decir, está a punto de iniciar un cambio de fase de líquido a vapor. Un líquido que está a punto de evaporarse se llama líquido saturado, este estado termodinámico corresponde al de dicho nombre. Vapor saturado y vapor sobrecalentado

Una vez que se inicia la vaporización o ebullición, la temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se evapora. Es decir, si la presión se mantiene constante, durante el proceso de cambio de fase la temperatura también lo hará. Durante un proceso de ebullición, el único cambio observable es un aumento en el volumen y una disminución del fluido líquido. Cuando el proceso se encuentra a la mitad de la evaporación, el cilindro contiene cantidades iguales de líquido y vapor. Conforme continúa la transferencia de calor, el proceso de evaporación continuará hasta evaporarse la última gota de líquido. En ese punto el cilindro esta llenó vapor. Cualquier cantidad de calor que pierda este vapor hará que se condense (cambio de fase de vapor a líquido). Un vapor que está a punto de condensarse se llama vapor saturado, cuando en el proceso se tiene una fracción de fluido líquido y vapor, se conoce como mezcla saturado de líquido y vapor, debido a que en estos estados las fase líquidas y de vapor coexisten en equilibrio. Bruno Orlando Castedo Beltran

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Una vez completado, el proceso de cambio de fase térmica y se alcanza una región de una sola fase (únicamente vapor). En este punto, transferir más calor da como resultado un aumento de temperatura y de volumen específico. Un vapor que no está a punto de condensarse, es decir no es vapor saturado, se denomina vapor sobrecalentado. I. Determinación Determinación de las diferentes prop iedades en c ada estado

Equipamiento Requerido - 1 probeta - 1 termómetro de mercurio - 1 mechero de bunsen - 1 sujetador de probeta -1 soporte universal - Cinta Aislante Procedimiento 1. Medir la masa de agua e introducirla introducir la dentro de una probeta hasta que llegue al tope, para que se pueda despreciar la masa de aire en la probeta 2. Medir la temperatura inicial del agua 3. Sellar la tapa de la probeta con una cinta aislante procurando dejar el espacio para introducir el termómetro de mercurio 4. Colocar debidamente la probeta en el sujetador y efectuar el calentamiento mediante el mechero de bunsen hasta llegar a la temperatura en el que el agua empiece a evaporarse 5. Por criterio propio, hasta que una buena parte del agua este evaporada, apagar apagar el mechero y tomar nota de la temperatura final 6. Determinar los estados de la materia, inicial y final 7. Con los datos obtenidos, dirigirse a las tablas para obtener las diferentes propiedades de la fase inicial y la final 8. Con todos los datos obtenidos realizar las graficas P-v y T-v

Preguntas

1) ¿Cuál es el objetivo de sellar la tapa de la probeta con cinta aislante? 2) ¿De qué clase de proceso trata esta experiencia? 3) ¿Cuáles son los estados por los que pasa el agua en esta experiencia?



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Análisis de energía de sistemas Cerrados Cerrados 

1. Análisis de energía de sistemas Cerrados o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1 Cilindro embolo



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos - Determinar los volúmenes inicial y final del aire y la masa de aire dentro del embolo - Determinar las presiones inicial y final del aire - Determinar el trabajo del sistema

Introducción Una forma de trabajo mecánico muy común en la práctica es aquella que está relacionada con la expansión o comprensión de un gas en un dispositivo de cilindro embolo. Durante este proceso parte de la frontera se mueve en el vaivén, por lo tanto, el trabajo de expansión y comprensión suele llamarse trabajo de frontera móvil.

Teoría Trabajo es una interacción entre dos sistemas tal que cualquier cambio en cada sistema y su entorno podría haberse producido, exactamente, con el único efecto externo a ese sistema, del cambio en la altura de una masa en un campo gravitatorio.

Es decir, un sistema realiza trabajo sobre su entorno si los efectos de la interacción pueden reducirse exclusivamente al levantamiento o reducción de altura de un peso.


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El trabajo es, por definición, una interacción; por tanto, requiere al menos de dos sistemas. En consecuencia, no hay trabajo si sólo se considera un sistema (sistema aislado). No todas las interacciones son en forma de trabajo.

Así, si consideramos consideramos un un fluido que se encuentra encuentra sometido sometido a una una presión presión externa que evoluciona desde un estado caracterizado por un volumen

y

a otro con un volumen

, el trabajo realizado será:

Result sultan and do un un tra trabajo positi sitivvo ( sistema

) si si se se tra trata de un una ex expansió sión de del

y negativo en caso contrario, de acuerdo con el convenio el convenio de

signos aceptado en la Termodinámica. En un proceso cuasi estático y sin fricción la pres presió ión n ext exter erio iorr (

) será será igua iguall en en cad cada a ins insta tant nte e a la pres presió ión n ( ) del del fluid fluido, o, de modo modo

que el trabajo intercambiado por el sistema en estos procesos se expresa como

De estas expresiones se infiere que la presión se comporta como una fuerza generalizada, en generalizada, en tanto que el volumen actúa como un desplazamiento generalizado; la generalizado; la presión y el volumen constituyen una pareja de variables conjugadas. En el caso que la presión la presión del sistema permanezca constante durante el proceso, el trabajo viene dado por:

I. Cilindro Embolo

Equipamiento Requerido - 1 jeringa - 1 balanza eléctrica Bruno Orlando Castedo Beltran

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- Plastilina -1 masa cualquiera, de un peso constante - 1 termómetro de mercurio Procedimiento 1. Pesar el embolo embolo de la jeringa y medir el área de la jeringa 2. Colocar la plastilina en la punta de la jeringa para que no se escape el aire dentro de ella, asentándola verticalmente, con la punta sobre la plastilina para mantenerla estática. 3. Poner la masa encima, en la parte superior del embolo, y observar y anotar lo que pasa 4. Proceder con ayuda de los conocimientos de la primera ley de la termodinámica, a calcular los volúmenes inicial y final, las presiones iniciales y finales, y el trabajo del sistema y la masa de aire que se encuentra dentro de la jeringa. Preguntas

1) 2) 3) 4)

¿Qué clase de sistema es? y ¿Qué clase de trabajo se efectúa? ¿Qué clase de proceso es? ¿Qué es un sistema cerrado? ¿Cuál es la función de un cilindro embolo en la industria?



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Análisis de masa y energía de sistemas sistemas abiertos 

1. Análisis de masa y energía de sistemas abiertos o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1 Camara de Mezcla



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos - Determinar la masa de flujo de salida, realizando correctamente el balance de masas. - Determinar la entalpia de salida, realizando correctamente un balance de energía.

Introducción En las aplicaciones en la Ingeniería, mezclar dos corrientes de fluido no es raro. La sección donde el proceso de mezclado tiene lugar se conoce como cámara de mezclado, la cual no tiene que ser exactamente una cámara. Una tubería ordinaria en forma de “T” o “Y” de una regadera por ejemplo, sirve como cámara de mezclado para las

corrientes de agua fría y caliente.

Teoría El principio de conservación de masa para una cámara de mezclado requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sean igual que los de salida de la mezcla saliente, la cámaras de mezcla por lo general están bien asiladas, y normalmente no se relacionan con ningún trabajo, así mismo las corrientes de energía cinética y potencial son insignificantes. Entonces en la ecuación solo quedan las energías totales de las corrientes de entrada y de salida. Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio. Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, por ejemplo una máquina una máquina térmica, o térmica, o de una manera ideal como la máquina de Carnot, cuando se trata de abordar un estudio teórico. Bruno Orlando Castedo Beltran

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Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es provisto de combustible al repostarse, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía con el entorno. Solo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede efectuar acarreando carga.

I. Cámara de Mezcla

Equipamiento Requerido - 1 tubo en “Y” o un “T” - 1 termómetro de mercurio - 1 mechero de bunsen -1 sujetador de probeta -1 guante térmico - 2 probetas -1 vaso de precipitados - 2 cronómetros Procedimiento 1. Verter agua previamente pesada en la primera probeta y medir la temperatura del agua en la probeta 1 2. Verter agua previamente previamente pesada en la segunda probeta y calentarla hasta los 80 grados Celsius 3. Inmediatamente verter cada probeta por su respectivo canal de entrada 4. Mientras se vierte calcular con dos cronómetros el tiempo por cada canal de entrada en el que la probeta se vacía totalmente, para obtener los flujos másicos de entrada 5. Por conocimientos de la primera ley de la termodinámica, termodinám ica, calcular el flujo de masa de salida y la entalpia de salida Preguntas

1) ¿Qué tipo de cámara de mezclas se utiliza en la industria? 2) ¿Por qué se aproxima a cero la energía cinética y potencial en una cámara de mezclas? 3) ¿Qué es un sistema abierto en la termodinámica? termodinámi ca? 4) ¿Cuál es la función de una una cámara de mezcla? Bruno Orlando Castedo Beltran

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Segunda ley de la termodinámica 

1. Segunda ley de la termodinámica o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1



1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

Objetivos - Estudiar el proceso termodinámico realizado por una máquina térmica que es utilizada para elevar una cierta cantidad de masa. - Determinar experimentalmente el trabajo realizado por la máquina térmica en base al diagrama P-V.

Introducción El propósito de este laboratorio es experimentar con una máquina térmica real, la cual a través de un proceso termodinámico puede hacer un trabajo mecánico, elevando pequeñas masas desde una altura a otra. En esta experiencia se podrá verificar experimentalmente que el trabajo mecánico realizado por la máquina, elevando una masa m una distancia vertical h, es igual al trabajo termodinámico neto hecho durante el ciclo (área encerrada en un diagrama P-V). Esencialmente, se comparará el trabajo re realizado al al le levantar un una ma masa ( ), con el el tr trabajo realizado en un ciclo de la máquina térmica como función de la presión y los cambios de volumen. En donde este último está dado por la expresión:


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Aunque usted puede demostrar teóricamente ésta relación, la comprobación experimental le permitirá familiarizarse con el funcionamiento de una máquina térmica real.

Experimento La máquina térmica que se utilizará en este laboratorio, consiste esencialmente de un cilindro plástico con un pistón de grafito en su interior, el cual puede moverse a lo largo del cilindro con roce prácticamente despreciable. El pistón está unido a una plataforma mediante una barra rígida, con el propósito de adecuar el sistema para el levantamiento de masas. Un tubo flexible une la cavidad del cilindro con una cámara de gas, la cual consiste en un cilindro de plomo sellado con un tapón de goma. Esta cámara de gas, con aire en este caso, puede ser ubicada alternativamente en un depósito con agua fría o en un depósito con agua caliente. Una fotografía del montaje experimental de éste levantador de masas es mostrado en la figura 1.


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El ciclo del levantador de masas está representado en la figura 2. Inicialmente el pistón se encuentra en la posición a, aprisionando cierta cantidad de aire en el interior del cilindro. Al poner una masa sobre la plataforma la fuerza sobre el pistón aumenta, ello ocasionando una compresión del aire y por lo tanto un leve descenso del pistón a la posición b. Si se aumenta la temperatura del gas atrapado dentro del cilindro, el volumen aumentará causando la elevación de la plataforma hasta la posición en c. Ello se podrá realizar moviendo el recipiente desde el depósito frío al depósito caliente. Luego, al remover la masa de la plataforma, la fuerza ejercida sobre el pistón disminuye ocasionando una leve elevación de la plataforma hasta la posición d, ello acompañado de una disminución de la presión de aire en el cilindro. Finalmente el volumen del gas disminuirá cuando la cámara de aire es devuelta al depósito frío, lo que produce el descenso del pistón a su posición original a. Para calcular el trabajo termodinámico realizado durante el ciclo, se requerirá dibujar el diagrama P-V. Para ello será necesario determinar los volúmenes y presiones del aire encerrado en el cilindro, tubo y cámara de aire, en los puntos a, b, c y d del ciclo. Por lo tanto previo a ello es necesario encontrar expresiones para: a.- El volumen del aire encerrado en el sistema en función de la

posición del pistón. Anote el diámetro interno del cilindro como y la longit longitud ud del del cilindr cilindro o ocupad ocupada a por el gas gas como . b.- La presión del gas contenido contenido por el pistón pistón de diámetro diámetro . Anote Anote la masa el pistón (más barra y plataforma) como y la masa agregada como como . No olvide olvide conside considerar rar la presión presión atmosf atmosféric érica a ( ) que actúa actúa sobre el pistón y por lo tanto sobre el gas.


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Ahora que se han derivado las ecuaciones básicas necesarias, usted debería ser capaz realizar un ciclo con la máquina térmica, y hacer las mediciones necesarias para calcular el volumen y la presión del aire en los cuatro puntos del ciclo. Antes de registrar los datos de la presión, volumen y altura del elevamiento, es recomendable preparar y ejecutar unos pocos ciclos con el propósito de familiarizarse con el sistema.

Equipamiento Requerido - Máquina de calor/Aparato de Gas Ideal (TD-8572) - 1 Vaso precipitado de

(para uso como depósito de agua fría)

- 1 Vaso precipitado de

(para uso como depósito de agua caliente)

- 1 set de masas de

,

y

- 1 calentador eléctrico de - 1 Termómetro de mercurio


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Procedimiento 1.- Implementar al montaje experimental mostrado en la figura 1. Se deben poner de agua a temperatura ambiente en el vaso de , y en el vaso de se deben poner con agua caliente a una temperatura cercana a ºC. Esto último se puede lograr poniendo de agua hirviendo y de agua de la llave, para hervir el agua utilice el hervidor disponible en el laboratorio. El propósito del calentador eléctrico es mantener la temperatura del agua caliente a °C. 2.- Realizar un ciclo completo con la máquina térmica. Se sugiere levantar el pistón unos pocos centímetros antes de cerrar la válvula de entrada del aire (ver figura 1). Note que el aire se filtra fuera del cilindro lentamente, por lo tanto si una masa grande está siendo elevada la filtración aumenta y por ello se sugiere que el límite máximo de la masa agregada en la plataforma de levantamiento sea . Después de observar unos pocos ciclos de la máquina, usted debería ser capaz de describir detalladamente el proceso entre cada uno de los puntos a, b, c y d de un ciclo, indicando cual de las transiciones entre estos puntos son aproximadamente adiabáticas y cuales son isobáricas. Puede observar directamente cambios en el volumen del gas y puede predecir como la presión ejercida sobre el gas por sus alrededores debería cambiar de un punto a otro usando la definición de presión como fuerza por unidad de área. 3.- Tome las mediciones necesarias para determinar el volumen y la presión del aire en el sistema a los cuatro puntos en el ciclo de la máquina (figura 2). Esto se debe hacer rápidamente para evitar escapes de aire alrededor del pistón. Resuma sus resultados en una tabla indicando claramente las unidades de medida. 4.- Use sus datos para calcular la presión y el volumen del sistema en el los cuatro puntos del ciclo. Escriba detalladamente las ecuaciones y cálculos, sin olvidar las unidades. Recuerde tomar en cuenta el volumen del aire en el tubo y el recipiente de aire.


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Preguntas

1) ¿Cuál ¿Cuál es la la altur altura a , que que es elevada elevada la masa? masa? 2) ¿Podemos sospechar que las transiciones de y de aproximadamente adiabáticas? Fundamente su respuesta. 3) ¿Puede demostrar que las transiciones Explique por qué.

y

son

son isobáricas?


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Entropía 

1. Entropía o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1 Cambio de entropía en un liquido a volumen constante

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1.4.2 Preguntas

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1.4.3 Conclusiones

Objetivos -Determinar la variación de entropía del sistema -Determinar todas las propiedades del estado inicial y final -Realizar correctamente una grafica T-s

Introducción En termodinámica, En termodinámica, la la entropía (simbolizada como S ) es una magnitud una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. trabajo.

Teoría Es una función una función de estado de carácter extensivo extensivo y su valor, en un sistema un sistema aislado, crece aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible lo irreversible de los sistemas termodinámicos. sistemas termodinámicos. Cuando se plantea la pregunta: "¿Por qué ocurren los sucesos en la Naturaleza de una manera determinada y no de otra manera?", se busca una respuesta que indique cuál es el sentido de los sucesos. Por ejemplo, si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que finalmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, finalizando en equilibrio. El proceso inverso, el calentamiento del trozo caliente y el enfriamiento del trozo frío es muy improbable que se presente, a pesar de Bruno Orlando Castedo Beltran

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conservar la energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía. La función termodinámica entropía es central para la segunda la segunda Ley de la Termodinámica. La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), reorganización que dará como resultado un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, y entonces se alcanzará la configuración de mayor probabilidad. Una magnitud es una propiedad si, y sólo sí, su cambio de valor entre dos estados es independiente del proceso. Esta proposición puede ser fundamental a la hora de definir la variación de entropía. La variación de entropía, nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción una reacción química. Si química. Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados. Hay una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química, que viene dada por la energía de Gibbs.

I. Cambio de entropía en un líquido a volumen constante

Equipamiento Requerido -

1 Termómetro de mercurio

-

1 vaso de precipitados

-

Cinta aislante

-

1 Mechero de bunsen

-

1 trípode


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Procedimiento 1) Introducir el agua dentro del vaso de precipitados y medir la temperatura con un termómetro de mercurio 2) Sellar la tapa con cinta aislante dejando un espacio para que repose el termómetro termómetr o de mercurio. 3) Calentar el vaso de precipitados con el mechero de bunsen, hasta que ebullicione una buena parte de él, y medir la temperatura final. 4) Con los conocimiento de entropía y de la segunda ley de la termodinámica calcular la variación de entropía en el sistema, las propiedades iniciales y finales y realizar correctamente una grafica T-s Preguntas

1) ¿Qué es la entropía? 2) ¿Cuál es la importancia de realizar un grafico T-s? 3) ¿Por qué se toma el calor específico promedio?



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Presiones 

Presiones o

1.1 Objetivos

o

1.2 Introducción

o

1.3 Teoría

o

1.4 Experimento 

1.4.1. Determinación de las presiones

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1.4.2 Preguntas



1.4.3 Conclusiones

PRESIONES.

Objetivos Construir un barómetro de Torricelli para determinar la pre sión atmosférica en el laboratorio de termodinámica. Demostración de la aplicación de presión relativa y absoluta para un fluido estático Establecer el modelo matemático que relaciona la presión absoluta con la profundidad para diferentes fluidos estáticos. Bases teóricas El término presión hidrostática se refiere al est udio de los fluidos sin movimiento. Un fluido es una sustancia que puede escurrir fácilmente y que puede cambiar de forma debido a la aplicación de pequeños esfuerzos. Por lo tanto, el término fluido incluye t anto a los líquidos y gases. Presión (P) La presión en cualquier punto de la frontera de un sistema es la razón de la fuerza (F) normal ejercida sobre un área (A). Es una propiedad intensiva. En el SI se utiliza el Pascal (Pa), definido como (N/m2). Matemáticamente:

Presión absoluta (Pabs): Es la presión en un punto determinado del sistema ya que se mide con respecto a una presión igual a cero. Presión relativa (Prel): Es la diferencia entre la presión absoluta de un sistema y la presión atmosférica. La lectura de un manómetro puede ser positiva o negativa.


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Presión manométrica positiva (Pman): Es la diferencia entre la presión absoluta de un sistema y la presión atmosférica, siendo la presión del sistema mayor que la presión atmosférica. Presión manométrica negativa (Pvac): Es la presión que se presenta cuando la presión atmosférica es mayor que la presión absoluta de un sistema (comúnmente se conoce como presión vacuométrica). Presión barométrica o atmosférica (Patm, Pbar): Es la presión que ejerce la atmósfera. Normalmente se conoce como presión barométrica debido a que puede ser determinada utilizando un barómetro de Torricelli. Su valor depende de la ubicación geográfica y el clima local. La atmósfera estándar se utiliza como valor de referencia referenci a y se define en función de la altura de una columna de mercurio que es soportada a nivel del mar en un barómetro de Torricelli, definiéndose así como la presión ejercida por una columna de mercurio cuya longitud es precisamente de 760 (mmHg) a una temperatura correspondiente al punto de fusión del agua sometido a una aceleración gravitacional estándar. Equivalencia de la Presión atmosférica en otras unidades: 29.92 (in Hg) 1 (atm) 1.013 (bar) 101 325 (Pa) 14.7 (psi) 10.33 (mH2O) 1.034 (kgf/cm2) Manómetro

Un manómetro es un instrumento que permite obtener el valor de la presión de un sistema. Puede consistir en un tubo en forma de U que contiene un líquido llamado fluido manométrico. Un extremo del tubo está a la presión P que se desea medir (la del sistema) y el otro, en contacto con la atmósfera a la presión Pa. Mide una diferencia de presión en términos de la altura de una columna de líquido.


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Metodología: 1. Construir el barómetro de Torricelli y determinar, al menos 3 veces, el valor de la presión atmosférica en el Laboratorio de Termodinámica (utilizar guantes de látex, cuidar que no queden burbujas de aire en el interior del tubo, tomar la altura de la columna de mercurio en el nivel superior del menisco). 2. Sumergir la campana de inmersión conectada al manómetro diferencial en cada uno de los líquidos y observar cómo cambia el nivel de líquido manométrico al ser sumergido en cada líquido, al variar la profundidad en cada uno de ellos. 3. Utilizando el manómetro diferencial y los líquidos proporcionados: Tomar lecturas de la diferencia de niveles del líquido manométrico que se establece entre los ramales del manómetro cuando se sumerge la campana de inmersión a distintas profundidades en un líquido estático. Repetir el procedimiento para cada uno de los líquidos proporcionados. Tomar lecturas de la diferencia de niveles del líquido manométrico que se establece entre los ramales del manómetro cuando se sumerge la campana de inmersión a una misma profundidad en cada uno de los líquidos estáticos. 4. Calcular las diferencias de presión obtenidas. 5. Convertir los valores obtenidos de presión relativa o manométrica a valores de presión absoluta. 6. Realizar y analizar el gráfico: P vs profundidad (para fluido de densidad constante) Determinar el modelo matemático que relaciona la presión absoluta con la profundidad para fluidos estáticos: Valores de referencia ρagua = 1000 (kg/m3) a 4 (°C) ρmercurio = 13 600 (kg/m3)

g = 9.78 m/s2 en el D. F.


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Tabla No. 1 Valores experimentales obtenidos con el barómetro de Torricelli.


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Análisis de resultados Conclusiones Bibliografía:

Se sugiere la siguiente: Wark, Kennet Termodinámica Sexta Edición 2001 España M c Graw Hill. Tipler, Paul A. Física Para la Ciencia y Tecnología Cuarta Edición 2001 España Reverté. Si se utilizan páginas web, éstas deben ser confiables, como aquellas elaboradas por profesores universitarios o universidades reconocidas.


Guia de Laboratorio Termodinamica

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