I N S T I T U T O P OL I T
C N I C O N A C I ON A L
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA CAMPUS GUANAJUATO
LABORATORIO DE TERMODINÁMICA PRÁCTICA 5: Segunda ley de la Termodinámica y entropía. CARRERA: Ingeniería Biotecnológica. ASIGNATURA: Termodinámica
GRUPO: INTEGRANTES:
EQUIPO No:
SEMESTRE: Segundo
FECHA:
I.
HABILIDADES A DESARROLLAR: Que el alumno asimile el concepto abstracto de entropía y que establezca el vínculo de ésta propiedad con la segunda ley de la termodinámica a través de la determinación experimental de un cambio entrópico en un proceso de mezclado de dos sustancias incompresibles. Que el alumno determine experimentalmente la velocidad de generación de entropía de un utensilio de uso común.
II.
INTRODUCCIÓN Y JUSTIFICACIÓN: La primera ley de la termodinámica establece básicamente la conservación de la energía, es decir, que si la energía desaparece de una forma, entonces debe de aparecer de otra forma. Además, dicta que la energía de un sistema (masa o volumen de control) puede verse modificada debido a la adición o sustracción de calor y/o trabajo y, en algunos casos, por la trasferencia de materia que se puede dar a través de las fronteras. Sin embargo, se queda corta al no imponer restricciones respecto a la dirección en la que se lleva a cabo el proceso en cuestión y tampoco da un panorama acerca de si son posibles o no tales procesos. En este sentido, la segunda ley de la termodinámica establece restricciones acerca de cuáles procesos pueden ocurrir en la realidad. r ealidad. Por ejemplo, considere el enfriamiento de una taza de café en un cuarto que se encuentra a una temperatura menor, dicho proceso se llevará a cabo después de cierto tiempo. De acuerdo a la primera ley de la termodinámica, la energía que
pierde el café será ganado por el aire de la habitación (p r o c e s o i r r ev e r s i b l e ). Ahora, vamos a considerar el proceso inverso: que la tasa de café se caliente a partir del aire presente en la habitación que se encuentre a una temperatura menor (p r o c e s o r e v er s i b l e ). En caso de que el proceso se diera no constituiría una violación de la primera ley de la Termodinámica. Sin embargo, se sabe por experiencia que este último proceso no ocurre en la realidad debido a que la transferencia de calor se da entre dos cuerpos siempre del cuerpo más caliente al más frío y no a la inversa. Existen diferentes maneras de enunciar la segunda ley de la termodinámica, aunque, los principales postulados de tal ley son l os siguientes: 1. Ningún equipo puede funcionar de tal modo que su único efecto (sistema y alrededores) sea el de convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo. 2. No existe ningún proceso en el que pueda haber transferencia de calor desde un nivel de temperatura a otro mayor. Es decir, la segunda ley nos ayuda a determinar la calidad, además de la cantidad, de la energía. También, es útil para determinar los límites teóricos de máquinas utilizadas en ingeniería como máquinas térmicas. Una propiedad termodinámica relacionada con la segunda ley es la entropía. El cambio de entropía dS entre dos estados de equilibrio para un proceso reversible está dado por la relación entre el calor transferido dQ y la temperatura absoluta del sistema:
Para determinar cambios finitos de entropía:
∫ Aquí ei y ef denotan los estados inicial y final de un proceso, respectivamente. A partir de la primera ley de la termodinámica se puede deducir una expresión para determinar los cambios entrópicos para una sustancia incompresible (densidad constante y dependencia del calor específico únicamente con la temperatura) y cuya forma es la siguiente:
Siendo C el calor específico y se asume como constante, T 2 y T1 son las temperaturas final e inicial que se presentan durante el cambio entrópico. En esta ecuación se elimina el término que toma en cuenta las variaciones entrópicas con
respecto a los cambios de volumen. Como ya ha sido mencionado, La segunda ley establece que si dos objetos se encuentran a temperaturas diferentes T1 y T2 (T1>T2) y entran en contacto, entonces habrá un flujo de calor espontáneo e irreversible desde el cuerpo más caliente hacia el más frío. El flujo de calor generado también producirá un incremento de entropía. Además, si la diferencia de temperaturas tiende a ser muy pequeño, entonces el proceso también tenderá a ser reversible con la consecuente reducción en la velocidad de transferencia de calor. Todos los procesos de transferencia de calor reales son irreversibles y generan entropía. El análisis entrópico ha adquirido actualmente mayor relevancia debido a la cuestión de ahorro e integración de energía dentro de los procesos. Teniendo esto en cuenta también, es fundamental conocer los procesos irreversibles que hay dentro de un proceso como parámetro de optimización, ya que, el proceso más óptimo desde el punto de vista energético será aquel que minimice la generación de entropía debido a la transferencia de calor y al flujo de fluidos. Sin embargo, para llegar a un diseño óptimo y rentable de un proceso, el aspecto energético es uno de tantos parámetros que se deben tener en cuenta para tomar decisiones acerca de la inclusión o no de determinados equipos. Con un balance entrópico se puede determinar la velocidad de generación de entropía de un proceso. La ecuación del balance tiene la siguiente forma:
∑ ̇ ∑̇ ∑̇ ̇ En esta ecuación la derivada denota la velocidad de cambio de entropía en un volumen de control (acumulación), la primera sumatoria a la derecha del signo igual corresponde a la velocidad de transferencia de entropía localizada en la f rontera del sistema donde la temperatura es T j, la diferencia entre el segundo y tercer términos después del signo igual denota la transferencia de entropía debida al flujo másico, y, finalmente, el cuarto término representa la velocidad de producción de entropía debido a las irreversibilidades dentro del volumen de control. Para utilizar esta ecuación, tome en cuenta las convenciones para los flujos de calor hacia adentro o hacia afuera del sistema.
III.
IV.
MATERIAL, HERRAMIENTAS Y EQUIPO DE SEGURIDAD A EMPLEAR: Rizadora de pelo. Multímetro con termopar. 1 Vaso de precipitados de 400 mL. 1 Vaso de precipitados de 250 mL. 1 Vaso de precipitados de 100 mL. 2 Matraces Erlenmeyer de 100 mL. 1 Probeta de 50 mL. 2 Termómetros. 1 Soporte universal con anillo metálico. 1 Rejilla de calentamiento. 2 Hojas de fieltro aislante. Pinza de tres dedos. Tapa aislante para calorímetro. Agua destilada Balanza analítica. 1 Pizeta. 1 Mechero Bunsen con manguera de látex o lata de alcohol sólido.
DESARROLLO EXPERIMENTAL: Parte 1. Cambio de entropía de un proceso de mezclado.
1. Arme el calorímetro (ver práctica 1). 2. Pese 80 g de agua (m1) en su punto de congelación en un matraz Erlenmeyer. Registre la temperatura de la muestra de agua como T 1. La temperatura debe ser cercana a 0 C y debe medirse instantes antes de hacer la mezcla. 3. Por otra parte, agregue agua en el vaso de precipitados de 100 mL hasta casi llenarlo. Arme el dispositivo para calentamiento con el soporte universal, el anillo y la rejilla. Ponga a calentar el vaso con el agua hasta el punto de ebullición. 4. Con el agua a punto de ebullición, pese 80 g de agua (m 2) en un matraz Erlenmeyer. Registre la temperatura de esta muestra como T2 instantes antes de proceder a hacer la mezcla. La temperatura debe ser de 100 C o muy cercana. 5. Deposite el agua congelada en el vaso interior del calorímetro. 6. Agregue con precaución, evitando derramar agua, la masa de agua caliente al interior del calorímetro. 7. Coloque la tapa con un termómetro rápidamente y agite hasta que la mezcla llegue a una temperatura de equilibrio. Registre ésta temperatura de equilibrio como (Te). 8. Determine el cambio de entropía del proceso de mezclado con la siguiente ecuación °
°
Parte 2. Velocidad de generación de entropía de un aparato electrodoméstico. 1. Mida la resistencia de la rizadora de pelo con el multímetro. Seleccione la opción de medición de resistencia y coloque las puntas de medición en cada una de las puntas de la clavija de alimentación de la rizadora. Registre la lectura de la resistencia R en Ohms. 2. Con el mismo multímetro mida el voltaje de la alimentación de energía eléctrica eligiendo la opción para medición de voltaje. 3. Determine la potencia eléctrica de la rizadora con la ecuación siguiente:
̇ 4. Mediante un balance de energía, determine el calor generado por la rizadora:
̇ ̇ ∑̇ ∑̇ 5. Conecte la alimentación eléctrica la rizadora y permita que la temperatura de la superficie de calentamiento se estabilice por aproximadamente unos 10 min. 6. Conecte el termopar al multímetro y registre la temperatura de diferentes puntos de la superficie de calentamiento (7 puntos). Promedie las temperaturas registradas como Ts. 7. Con la determinación del calor generado por el aparato y la temperatura de frontera superficial, determine la velocidad de generación de entropía a partir de un balance entropía (considere la convección para la dirección del f lujo de calor):
∑ ̇ ∑̇ ∑̇ ̇ V.
REGISTRO DE DATOS Y RESULTADOS (Por equipo): Parte 1. Tabla 1. Datos experimentales para la determinación del cambio de entropía en el proceso de mezclado.
m1 (kg)
m2 (kg)
T 1 (K )
T (K) 2
K T ) e (
C1 (J/kg.K)*
S (J/K)
* Tenga en cuenta que C1 = C2.
Parte 2. Tabla 2. Datos experimentales para la determinación de la velocidad de generación de entropía de un aparato eléctrico.
R(
)
V(
)
̇ ( ) ̇ ( )
T s (K)
) ̇ (
VI.
NOMENCLATURA:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇
= Masas de agua en el punto de congelación y en el punto de ebullición, respectivamente, kg = Temperatura de la masa de agua en el punto de congelación, K = Temperatura de la masa de agua en el punto de ebullición, K = Temperatura de la masa de agua en el punto de equilibrio, K = Calor específico del agua, J/kg.K = Cambio de entropía debido al proceso de mezclado, J/K = Resistencia eléctrica de la rizadora, Ohms = Voltaje de la fuente de energía eléctrica, Volts = Potencia eléctrica de la rizadora, J/s = Flujo de calor producido por la rizadora, J/s = Energía dentro del volumen de control, J = Tiempo, s = Flujos másicos de entrada y de salida en el volumen de control, kg/s = Entalpía específica de las corrientes de entrada y de salida en el volumen de control, J/kg = Altura de las corrientes de entrada y de salida en el volumen de control con respecto a un nivel de referencia, m = Aceleración gravitacional, m/s2 = Entropía dentro del volumen de control, J/K = Temperatura de la superficie externa del volumen de control, K = Entropía específica de las corrientes de entrada y de salida en el volumen de control, J/kg.K = Velocidad de generación de entropía en el volumen de control, J/s.K
VII. 1. 2. 3. 4. 5.
VIII. IX.
CUESTIONARIO (Por equipo): ¿Cuál es la importancia del volumen de control en el análisis entrópico? De acuerdo a las dos experiencias de la práctica, ¿qué significado físico tienen? ¿Qué interpretaciones tiene el concepto de entropía? ¿Para qué sirve el análisis entrópico? ¿Cómo podría plantear un experimento alternativo a los realizados en la práctica?
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA: Cengel, Y. A., Boles, M.
Termodinámica .
2a ed. McGraw Hill, México, 2000.
Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M., “Intr oducción a la termodinámica en Ingeniería Química”, 6ª. Edición, Mc Graw Hill, 2003. Moran M., Shapiro, H., Fundamentals of engineering thermodynamics, 5 a Edición, Wiley, 2006.
X.
ANEXOS (Si es que existen):
XI.
DATOS DE REVISIÓN:
CRITERIOS A EVALUAR
PORCENTAJE
TOTAL
100%
Fecha de evaluación: Firma de profesor que evaluó:
INTEGRANTE 1
INTEGRANTE 2
INTEGRANTE 3
INTEGRANTE 4
INTEGRANTE 5
