UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA DEL ECUADOR SEDE QUITO CAMPUS KENNEDY CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFORME LABORATORIO DE TERMODINÁMICA
TEMA: PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA EN SISTEMAS CERRADOS
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DOCENTE: ING. WASHINGTON ING. WASHINGTON SALVATORE REINA GUZMÁN
Quito, 4 de Agosto del 2014
Contenido OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 3 OBJETIVOS GENERALES ..................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................................... 3 MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................................... 4 MATERIAL Y EQUIPO ............................................................................................................................... 7 PROCEDIMIENTO ...................................................................................................................................... 7 SISTEMAS ABIERTOS A LA ATMÓSFERA ........................................................................................ 7 EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESIÓN ............................................................................................... 8 HOJA DE DATOS ........................................................................................................................................ 9 HOJA DE DATOS OLLA DE PRESIÓN .................................................................................................. 10 INFORME ................................................................................................................................................... 13 Flujograma de procedimiento realizado durante las prácticas ................................................................. 13 Análisis de resultados .......................................................................................................................... 13 Cuestionario y problemas .................................................................................................................... 13 CUESTIONARIO OLLA DE PRESIÓN ........................................................................................................... 20 Preguntas: ............................................................................................................................................ 20 EJERCICIOS DE SISTEMAS CERRADOS A PRESIÓN .................................................................................... 20 CONCLUSIONES ........................................................................................................................................... 21 RECOMENDACIONES. .................................................................................................................................. 21 ANEXOS (Planos, hoja de datos, catálogos, fotos, etc) .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ............... ...... 21 BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................................. 21
OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES
Realizar prácticas de laboratorio con la finalidad de estudiar los sistemas cerrados en termodinámica. Observar los cambios producidos en función del tiempo en las fases de nuestra práctica para poder obtener conclusiones importantes.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Familiarizarnos con los instrumentos y materiales a emplearse en la práctica. Realizar cálculos de interés como el calor sensible y latente absorbido por el agua en función del tiempo. Establecer una metodología para realizar esta práctica de manera ordenada, participativa y eficiente. Interpretar correctamente los datos obtenidos mediante los instrumentos empleados.
MARCO TEÓRICO CALOR es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos en virtud de una diferencia de temperatura, el calor es energía en tránsito. TEMPERATURA es una propiedad de los sistemas que determinan si están en equilibrio térmico este concepto de temperatura se deriva de la idea de medir calor o frío. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA la diferencia es que la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos y diferentes temperaturas, el calor es energía residual presente en todas las formas de energía en tránsito el calor es lo que hace que la temperatura aumenta o disminuya. si añadimos calor la temperatura aumenta y si quitamos calor la temperatura disminuye. Escalas con que se mide el calor
CELSIUS establecida en 1729 por el biólogo sueco anders celsius, se llama centigrada porque hay 100 divisiones entre sus dos puntos extremos, uno de ellos es 0°c "punto de congelación del agua y nivel del mar", y el otro extremo es 100°c "punto de ebullición del agua, a nivel del mar". FAHRENHEIT establecida por Gabriel Daniel Fahrenheit quien en 1742 construyo el primer termómetro la escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °f y su punto de ebullición como 212 °f. KELVIN escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C la magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por k, se define como igual a un grado Celsius fue establecida por convenio
internacional, es la unidad de temperatura dl sistema internacional de unidades inventada por el matemático y físico británico William Thompson lora kelvin en esta escala el cero es la temperatura a la cual cesa la actividad cinética molecular y la temperatura más pequeña que se puede medir. Punto de ebullición, la definición formal de punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra. Coloquialmente, se dice que es la temperatura a la cual la materia cambia del estado líquido al estado gaseoso. La ley de los gases ideales es la apariencia negativa de un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura. El estado de una cantidad de gas se determina por su presión, volumen y temperatura. La forma moderna de la ecuación relaciona estos simplemente en dos formas principales. La temperatura utilizada en la ecuación de estado es una temperatura absoluta: en el sistema SI de unidades, kelvin, en el sistema imperial, grados Rankine.
Forma común La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es: Donde: , Presión absoluta , Volumen , Temperatura absoluta
, Moles de gas
, Constante universal de los gases ideales
Teoría cinética molecular Esta teoría fue desarrollada por Ludwig Boltzmann y Maxwell. Nos indica las propiedades de un gas ideal a nivel molecular.
Todo gas ideal está formado por N pequeñas partículas puntuales (átomos o moléculas). Las moléculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada. Un gas ideal ejerce una presión continua sobre las paredes del recipiente que lo contiene, debido a los choques de las partículas con las paredes de este. Los choques moleculares son perfectamente elásticos. No hay pérdida de energía cinética. No se tienen en cuenta las interacciones de atracción y repulsión molecular. La energía cinética media de la translación de una molécula es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.
En estas circunstancias, la ecuación de los gases se encuentra teóricamente:
Donde
es la constante de Boltzmann, donde N es el número de partículas.
La entalpía (simbolizada generalmente como H, también llamada contenido de calor, y calculada en Julios en el sistema internacional de unidades o también en kcal o, si no, dentro del sistema anglo: BTU), es una función de estado extensiva, que se define como la transformada de Legendre de la energía interna con respecto del volumen.
Derivación El principio de estado establece que la ecuación fundamental de un sistema termodinámico puede expresarse, en su representación energética, como:
Donde S es la entropía, V el volumen y
la composición química del sistema.
Para aquellos casos en los que se desee, sin perder información sobre el sistema, expresar la ecuación fundamental en términos de la entropía, la composición y la presión en vez del volumen, se aplica la siguiente transformada de Legendre a la ecuación fundamental:
Y como
Es la presión del sistema, se define la entalpía como:
MATERIAL Y EQUIPO
Recipiente graduado para la recolección del líquido a calentar. Termómetro bimetálico. Termocupla. Depósito con una resistencia eléctrica. Agua (4 y 5 litros). Cronometro, amperímetro. Olla de presión. Hornilla Termómetro manual. Manómetro Cronómetro
PROCEDIMIENTO SISTEMAS ABIERTOS A LA ATMÓSFERA El procedimiento de la práctica se basa en la medición constante de temperatura de un líquido, en nuestro caso el Agua, que se encuentra expuesta a la atmosfera a medida que se añade a calor al sistema. Detallando los pasos a seguir son los siguientes: 1) En un recipiente medir la cantidad de 5 litros de agua. 2) Vaciar en el depósito donde se encuentra la resistencia eléctrica, el volumen total del líquido. 3) Preparar la termocupla para suministrar energía al sistema. 4) Encender la termocupla para al tiempo en que inicia el cambio de temperatura en el sistema. 5) Colocar los instrumentos de medida n contacto con un líquido para monitorear el proceso. 6) Encender la resistencia eléctrica ubicada en el depósito. 7) Monitorear la variación de temperatura en intervalos de un minuto. 8) Elaborar una tabla de los datos obtenidos hasta el momento de la ebullición. 9) Documentar los valores en el momento que el agua empieza a hervir. 10) Recolectar 2 litros de agua a temperatura ambiente. 11) Apagar la resistencia eléctrica. 12) Realizar una mezcla en el depósito entre los 5 litros de agua caliente y los 2 litros de agua a temperatura ambiente. 13) Documentar los valores de temperatura obtenidos luego de realizar la mezcla. 14) Evacuar el líquidos del depósito, la totalidad de la mezcla
15) Apagar los instrumentos utilizados.
EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESIÓN En esta práctica el incremento de temperatura se va a ejercer en un líquido que se encuentra en un recipiente cerrado conocido como olla de presión. La cual lleva instalado un manómetro que nos permitirá obtener datos sobre la presión, y posterior a ello se verificará la temperatura. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14)
Recolectar una cantidad de 5 litros de agua en un recipiente. Vaciar el volumen en la olla de presión donde se realizara el aporte de calor. Cerrar el sistema mediante la tapa de la olla, con sus respectivas seguridades. Encender la hornilla de funcionamiento a gas para elevar la temperatura. Encender la termocupla. Observar el proceso y los datos obtenidos en intervalos de 1 minuto. Observar el sistema hasta que existe una salida de vapor mediante el escape de la tapa. Documentar los valores obtenidos en el instante del escape de vapor de agua. Liberar la totalidad del vapor. Exponer la olla al agua para condensar el vapor en ella almacenado. Libera el sistema retirando la tapa de la olla. Apreciar brevemente el cambio de volumen producido. Verificar la temperatura obtenida sin la ebullición del líquido. Apagar los instrumentos utilizados en la práctica.
HOJA DE DATOS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERÍAS ESCUELA DE MECÁNICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA TEMA: CALOR Y TEMPERATURA Liquido: AGUA Volumen inicial: 4 LITROS
Dónde:
: Calor transferido
C p: Calor especifico : Diferencial de temperatura
MASA (kg)
5 TEMPERATURA
TIEMPO TERMÓMETRO PROMEDI (m) TERMOCUPLA DE MERCURIO O 1 23 37 30 2 25 48 36,5 3 29 56 42,5 4 34 64 49 5 43 68 55,5 6 53 75 64 7 70 82 76 8 81 85 83
CP (TABLAS)
⁄ 4,1782 4,1783 41,179 4,181 4,183 4,187 4,194 4,199
Q (Kj) 6333,10665 6469,05298 64990,7568 6734,54575 6873,71475 7058,23525 7321,6755 7477,36925
Comparación de entalpias
( ) ( ) ( ) ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Como se puede observar los valores obtenidos son aproximadamente iguales teniendo en cuenta que se producen errores al momento de obtener los datos experimentales.
HOJA DE DATOS OLLA DE PRESIÓN
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERÍAS ESCUELA DE MECÁNICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA TEMA: CALOR SENSIBLE EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESION Liquido: Agua Volumen: 4 Litros Masa inicial: 4 Kilogramos Tiempo
Presión
Temperatura
Calor
(min)
(KPa)
(ºC)
(KJ7Kg)
Liquido: Agua
Volumen: 5 Litros Masa inicial: 5 Kilogramos Tiempo
Presión
Temperatura
Calor
(min)
(KPa)
(ºC)
(KJ7Kg)
INFORME Flujograma de procedimiento realizado durante las prácticas
Análisis de resultados
Calcular la temperatura final de la mezcla. Determinar la potencia de la resistencia eléctrica que fue utilizada. Realizar la curva calor vs temperatura. Realizar la curva volumen especifico vs temperatura. Realizar la curva presión vs volumen específico. Analizar los resultados obtenidos.
Cuestionario y problemas
Qué es temperatura y sus escalas. Qué es calor sensible y calor latente en una sustancia pura? Gráficos P-v y T-v ¿Qué es termómetro, clasificación termómetros industriales y sus aplicaciones? Explique cómo influye la presión atmosférica en el punto de ebullición del agua. Calcular el calor el calor sensible y calor latente con los datos obtenidos utilizando la tabla termodinámica y las temperaturas. ¿Qué es calor latente de fusión y de evaporización? Cuáles son los valores para el agua y como se utiliza?
1. Se hierve agua a nivel del mar en una olla de acero inoxidable de 30 cm de diámetro colocada sobre una parrilla eléctrica de 3KW. Si 60% del calor generado por la parrilla se transfiere al agua durante la ebullición, determine la tasa de evaporación del agua.
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2. Repita el problema 1 para un lugar situado a una altura de 1500m donde la presión atmosférica es de 84.5 KPa y, por lo tanto, la temperatura de ebullición es de 95 0C.
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3. Se hierve agua a una atmosfera de presión en una vasija de acero inoxidable cuyo interior mide 25cm de diámetro y que está sobre una estufa eléctrica. Si se observa que el nivel de agua de la vasija disminuye 10cm en 45min. Determine la velocidad de transferencia de calor a la vasija.
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̇ ⁄ 4. Retome el problema 3 y considere que la vasija se halla en un sitio a una altura de 2000m, donde la presión atmosférica estándar es de 79.5 KPa.
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5. En cierto lugar mediante una parrilla eléctrica de 2 KW se suministra calor para hervir el agua contenida en una olla provista con una tapa mal ajustada. La cantidad de agua en la olla disminuye 1.19 Kg en 30 minutos. Si se estima que el 75% de electricidad que consume la parrilla se transfiere al agua como calor, determine la presión atmosférica en ese lugar.
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̇ kpa
6. Se hierve agua a 1 atm de presión en una cafetera equipada con un elemento de calentamiento eléctrico que funciona por inmersión. Al comienzo, la cafetera contiene 1 Kg de agua, pero una vez empieza la ebullición la mitad del agua se evapora en 18 minutos. Si la pérdida de calor en la cafetera es insignificante, determinar la potencia nominal del elemento de calentamiento.
̇ ̇ ̇ ⁄ ̇ ̇ ̇ ̇ Patm=1atm
7. Una vasija de acero inoxidable hierve agua a 1 atm de presión, después se observa que 2 Kg de agua líquida se evaporan en 30 min. Determinar la tasa de transferencia de calor.
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8. A nivel del mar se hierve agua en un recipiente que se halla sobre una estufa. Durante 10 min de ebullición se evaporan 200 gramos de agua, determinar la tasa de transferencia de calor hacia el agua.
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9. Una cafetera equipada con un elemento de calefacción eléctrica por inmersión hierve agua a nivel del mar. La cafetera contiene 1 L de agua cuando está llena. Una vez que comienza la ebullición, se observa que la mitad del agua se evapora en 25 minutos. Determine la potencia nominal del elemento eléctrico sumergido en el agua y cuánto tiempo tarda este calentador en elevar la temperatura de 1L de agua fría desde 18 0C hasta la temperatura de ebullición.
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10. En un vaso se tiene agua con una masa de 0.45 Kg a 20 0C y se enfriará hasta 0 0C añadiéndose cubos de hielo a 0 0C. El calor latente de fusión del hielo es 334 KJ/Kg, mientras que el especifico del agua es 4.18 KJ/Kg0C. determinar la cantidad de hielo que se debe agregar para lograr este fin.
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11. Un calentador de resistencia eléctrica de 2 KW sumergido en 5 Kg de agua se enciende y se mantiene así durante 10 minutos. Durante el proceso, del agua se pierden 300 KJ de calor. Determinar el aumento de temperatura del agua.
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CUESTIONARIO OLLA DE PRESIÓN
¿Qué es una olla de presión? ¿Cuáles son las partes de la olla de presión? Diferencia entre olla de presión y marmita ¿Qué es vapor saturado, ¿Qué es vapor sobrecalentado? ¿Cuál es el funcionamiento de la olla de presión? Aplicaciones de la olla de presión ¿Cuál es la presión en la ciudad de Quito? Aplicaciones de calor sensible y calor latente ¿Por qué los lagos se congelan primero en su superficie?
Preguntas:
Calcular el calor. Determinar el calor utilizando las tablas termodinámicas. Realizar la curva calor vs temperatura. Realizar la curva temperatura vs volumen específico (sistemas abiertos-abiertos) Realizar la curva temperatura vs presión (sistemas abiertos-cerrados) Realizar la curva calor vs presión (sistemas abiertos-cerrados) Realizar la curva calor vs tiempo Con la práctica se realizará el estudiante resolverá todas sus dudas acerca de la temperatura y la presión a la que el agua hierve dentro de una olla de presión en la ciudad de Quito. Al momento de realizar la práctica en el laboratorio el estudiante va a conocer diferentes aparatos para la medición de la temperatura y presión. En el instante en que la práctica se esté llevando a cabo el estudiante se podrá dar cuenta; cuando la olla de presión por medio de su válvula reguladora empieza a desalojar vapor de agua.
EJERCICIOS DE SISTEMAS CERRADOS A PRESIÓN 12. De una olla de presión, cuya presión de operación es de 30 psia, sale vapor. Se observa que la cantidad de líquido en la olla de presión disminuyo en 0.4 gal durante 45 minutos después de impuestas las condiciones estables de operación. El área de sección transversal de la abertura de salida es de 0.15 pulg2. Determine: a. El flujo másico del vapor y la velocidad de salida,
b. Las energías total y de flujo del vapor por unidad de masa, c. La tasa a la que la energía sale de la olla con el vapor. 13. Cierta olla de presión tiene un volumen de 6 L y una presión de operación de KPa manométricos. Al inicio contiene 1Kg de agua, y se le suministra calor a una tasa de 500 W durante 30 minutos después de alcanzar la presión de operación. Suponiendo una presión atmosférica de 100 KPa. Determine: a) La temperatura que se lleva a cabo la cocción b) La cantidad de agua que queda en la olla de presión al final del proceso.
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES.
ANEXOS (Planos, hoja de datos, catálogos, fotos, etc)
BIBLIOGRAFÍA.
