Índice 1.
Introducción........................................... ..................... ........................................... ............................................ ....................... ........................................... ...................... ............................................ ....................... ..... 4
2.
Objetivos.......................................... ..................... ........................................... ............................................. ....................... ........................................... ..................... ............................................ ................................... ............. 5
3.
2.1.
Objetivo General ........................................... ..................... ............................................ ............................................ ............................................ ............................................ ............................... ......... 5
2.2.
Objetivos Específicos .......................................... ................... ....................... ............................................ ...................... ........................................... ........................................... .......................... 5
Marco Teórico .......................................... ..................... ........................................... ............................................ ............................................. ....................... ........................................... ..................... .......................... 5 3.1.
4.
3.1.1.
Proceso adiabático ........................................... ...................... ............................................ ....................... ........................................... ...................... ...................................... ................. 6
3.1.2.
Proceso isotérmico................................ isotérmico....................................................... ....................... ........................................... ...................... ............................................ ....................... ..... 7
3.1.3.
Proceso isocórico / isócoro ......................................... .................... ............................................ ....................... ........................................... ...................... ......................... 8
3.1.4.
Proceso isobárico............................ isobárico.................................................. ............................................ ............................................. ....................... .................................. ..................... ............. 8
Metodología Metodología y Procedimiento Procedimiento......................................... .................... ............................................ ....................... ........................................... ...................... ...................................... ................. 9 4.1.
Materiales .......................................... .................... ............................................ ............................................ ............................................. ....................... .................................. ..................... ............. 9
4.1.2.
Procedimiento.......................................... .................... ............................................ ............................................ ........................................... ............................................ ....................... ...10
Materiales .......................................... .................... ............................................ ............................................ ............................................. ....................... ................................10 ..................... ...........10
4.2.2.
Procedimiento.......................................... .................... ............................................ ............................................ ........................................... ............................................ ....................... ...11
Ensayo 3: Proceso isobárico .....................................................................................................................12
4.3.1.
Materiales .......................................... .................... ............................................ ............................................ ............................................. ....................... ................................12 ..................... ...........12
4.3.2.
Procedimiento.......................................... .................... ............................................ ............................................ ........................................... ............................................ ....................... ...12
4.4.
7.
Ensayo 2: Proceso isotérmico ..................................................................................................................10
4.2.1.
4.3.
6.
Ensayo 1: Proceso adiabático............................................ ...................... ............................................ ............................................ ............................................ ........................... ..... 9
4.1.1.
4.2.
5.
Proceso termodinámico: termodinámico: ......................................... .................... ............................................ ....................... ........................................... ...................... ...................................... ................. 5
Ensayo 4: Proceso isócoro .........................................................................................................................13
4.4.1.
Materiales .......................................... .................... ............................................ ............................................ ............................................. ....................... ................................13 ..................... ...........13
4.4.2.
Procedimiento.......................................... .................... ............................................ ............................................ ........................................... ............................................ ....................... ...13
Resultados........................................... ..................... ............................................ ............................................ ............................................ ............................................ ............................................ .............................14 .......14 5.1.
Ensayo 1: Proceso adiabático............................................ ...................... ............................................ ............................................ ............................................ .........................14 ...14
5.2.
Ensayo 2: Proceso isotérmico ........................................... ..................... ............................................ ............................................ ............................................ .........................14 ...14
5.3.
Ensayo 3: Proceso isobárico .......................................... .................... ............................................ ............................................ ............................................ .............................14 .......14
5.4.
Ensayo 4: Proceso isócoro .......................................... .................... ............................................ ............................................. ....................... ................................14 ..................... ...........14
Discusión de Resultados Resultados ............................................. ...................... ....................... ............................................ ..................... ....................... ........................................... ..................... ......................15 15 6.1.
Ensayo 1: Proceso adiabático............................................ ...................... ............................................ ............................................ ............................................ .........................15 ...15
6.2.
Ensayo 2: Proceso isotérmico ........................................... ..................... ............................................ ............................................ ............................................ .........................15 ...15
6.3.
Ensayo 3: Proceso isobárico .......................................... .................... ............................................ ............................................ ............................................ .............................15 .......15
6.4.
Ensayo 4: Proceso isócoro .......................................... .................... ............................................ ............................................. ....................... ................................15 ..................... ...........15
Conclusiones y Recomendaciones Recomendaciones ............................................ ...................... ............................................ ............................................ ............................................ .........................16 ...16 7.1.
Conclusiones: Conclusiones: .......................................... ................... ....................... ............................................ ...................... ............................................ ........................................... ....................................16 ...............16
2
7.2.
Recomendaciones: ......................................................................................................................................16
8.
Bibliografía ..............................................................................................................................................................17
9.
Anexos .......................................................................................................................................................................17 9.1.
Fotografías .....................................................................................................................................................17
9.2.
Protocolo.........................................................................................................................................................18
9.2.1.
Marco Teórico ..........................................................................................................................................18
9.2.2.
Materiales ..................................................................................................................................................19
9.2.3.
Procedimiento .........................................................................................................................................19
9.2.3.1.
Proceso Adiabático ...........................................................................................................................19
9.2.3.2.
Proceso Isotérmico ...........................................................................................................................19
9.2.3.3.
Proceso Isocórico...............................................................................................................................19
9.2.3.4.
Proceso Isobárico ..............................................................................................................................19
9.2.4.
Tablas de Datos .......................................................................................................................................20
9.2.4.1.
Proceso adiabático ............................................................................................................................20
9.2.4.2.
Proceso isotérmico............................................................................................................................20
9.2.4.3.
Proceso isobárico...............................................................................................................................20
9.2.4.4.
Proceso isocórico ...............................................................................................................................20
3
1. Introducción Existen distintos tipos de procesos termodinámicos, es decir, procesos en los cuales se modifican las variables termodinámicas de un sistema. Si el proceso es tal que no se permite el intercambio de calor (energía) con el medio circundante, se denomina adiabático. Para que ocurra un proceso adiabático es necesario que el sistema se encuentre perfectamente aislado térmicamente, o que el proceso ocurra rápidamente de manera que no haya tiempo para que ocurra un intercambio de calor con el medio. Existe otro tipo de procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Los mismos se denominan procesos isotérmicos y su ecuación característica es
∗= Para que este tipo de procesos ocurra es necesario hacerlo muy lentamente, para que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio. Además, también existen procesos isocóricos, es decir, aquellos procesos en donde no varía el volumen, e isobáricos, en los cuales permanece constante la presión. A presiones menores que 3 atmósferas, casi todos los gases se comportan como gases ideales, es decir, que podemos aplicar a su comportamiento, la ecuación de estado
∗=∗∗ Donde P es la presión absoluta del gas, V su volumen (la del recipiente que lo contiene), T la temperatura absoluta, n el número de moles del gas y R la constante universal de los gases. En el siguiente informe de laboratorio hemos tratado de demostrar con mayor precisión cada uno de los procesos termodinámicos como son: el proceso adiabático, isocórico, isobárico, isotérmico con elementos de gran parte caseros.
4
2. Objetivos 2.1. Objetivo G eneral -
Demostrar los distintos procesos termodinámicos empleando materiales caseros.
2.2. Objetivos E s pecí ficos -
Realizar un experimento empleando materiales caseros con el cual demostremos un proceso isotérmico.
-
Realizar un experimento empleando materiales caseros con el cual demostremos un proceso isobárico.
-
Realizar un experimento empleando materiales caseros con el cual demostremos un proceso isócoro.
-
Realizar un experimento empleando materiales caseros con el cual demostremos un proceso adiabático.
3. Marco Teórico 3.1. Proces o termodinámic o: Un proceso termodinámico es el camino que conecta dos estados termodinámicos diferentes. Si el estado inicial y final están infinitesimalmente próximos se dice que el cambio de estado es infinitesimal y cualquiera de los caminos que los une es un proceso infinitesimal. Si los estados inicial y final coinciden se dice que el proceso es cíclico. Un proceso se dice que es cuasiestático no disipativo o reversible cuando es secuencia continua de estados de equilibrio. Son procesos ideales de modo que al invertirlos y regresar al estado inicial, tanto el sistema como el resto del universo vuelven a sus respectivos estados de partida sin ningún cambio. Se denomina proceso irreversible a todo aquel que no es reversible. Cualquier proceso real es irreversible. En algunos tipos de procesos alguna variable permanece constante: isotermo, temperatura constante; isobaro, presión constante; isocoro, volumen constante, etc. Los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de 5
forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí. Cuando en un sistema se varían las variables termodinámicas: presión, temperatura, volumen, etc., se dice que se lo somete a un proceso termodinámico. Los distintos procesos termodinámicos pueden estudiarse mediante trayectorias en un diagrama Presión-Volumen
Figura N° 01 De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debido a su desestabilización. Un sistema termodinámico está en principio en un estado de equilibrio termodinámico cuando las variables principales del sistema (es decir, presión, volumen y temperatura) no experimentan ninguna variación adicional con el paso del tiempo. Una transformación termodinámica puede tener lugar:
Intercambiando trabajo, pero sin intercambios de calor
Intercambiando calor, pero sin intercambiar trabajo
Intercambiando trabajo y calor
Los procesos termodinámicos son los siguientes:
3.1.1. Proceso adiabático Cuando el proceso se realiza de manera que el sistema no tiene intercambio de calor con el medio, al proceso se lo denomina adiabático. Este tipo de proceso tendría lugar si el sistema estuviera perfectamente aislado térmicamente o bien si se lo realizara lo suficientemente rápido como para que no haya tiempo para que se produzca un intercambio de calor con el medio.
6
Cuando un sistema se expande adiabáticamente, W es positivo (el sistema efectúa trabajo sobre su entorno), así que es negativo y la energía interna disminuye, y cuando se comprime adiabáticamente es todo lo contrario. El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Este proceso es un proceso reversible e isentrópico
Figura N° 02
El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.
3.1.2. Pr oceso is otérmico
Si el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se realiza lentamente, de modo que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio circundante, se dice que el proceso es isotérmico. Se efectúa a temperatura constante. La energía interna de un sistema depende únicamente de su temperatura, no de su presión ni su volumen. El sistema más conocido que posee esta propiedad especial es el gas ideal. En tales sistemas, si la temperatura es constante, la energía interna también lo es; ΔU=0 y Q=W. Es decir, toda la energía que entre en el sistema como calor Q debería salir como trabajo W efectuado por el sistema.
7
Figura N° 03
3.1.3. Pr oceso is ocórico / is ócoro
Los procesos isocóricos son procesos en los que el volumen permanece constante. Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen. Al ser de volumen constante, no se realiza trabajo sobre su entorno y toda energía agregada como calor permanece en el sistema como aumento de energía interna
Figura N° 04
3.1.4. Pr oceso is obárico
Los procesos isobáricos son procesos en los cuales la presión no varía. Dicho de otra manera, un proceso isobárico es una transformación termodinámica que se produce a presión constante.
Figura N° 05 8
Cuando un gas perfecto evoluciona isobáricamente desde un estado A hasta un estado B, la temperatura y el volumen asociados siguen la ley de Charles.
L E Y D E C HA R L E S
A presiones moderadas, P < 3 Atm, casi todos los gases pueden ser considerados como gases ideales. Esto significa que, entre otras propiedades, ellos se comportan siguiendo la siguiente ecuación:
∗=∗∗ Donde:
P es la presión absoluta del gas
V es el volumen del recipiente que lo contiene
T es la temperatura absoluta
n es el número de moles del gas
R es la constante universal de los gases.
4. Metodología y Procedimiento 4.1. E ns ayo 1: Pr oceso adiabático 4.1.1. Materiales
Agua caliente
Hielos
9
Termo
4.1.2. Procedimiento
Ponemos agua caliente en un termo y medimos la temperatura a la que se encuentra.
Colocamos los hielos dentro del termo, la temperatura de los hielos será 0° C.
Cerramos la tapa del termo y esperamos un tiempo prudente, en nuestro caso 3 minutos con 34 segundos.
Medimos la temperatura interna y externa del termo.
Se comprueba que al interior ha ocurrido una transmisión de calor y en la parte externa no.
4.1.3. Resultados
Tiempo
Inicial
Final: 3m 34s
Temperatura Interna
Agua: 85°C
46°C
Hielos: 0°C
Temperatura Externa
12°C
Foto N°01
4.2. E ns ayo 2: Pr oces o is otérmico 4.2.1. Materiales
Dos vasos 10
12°C
Agua a temperatura ambiente
4.2.2. Procedimiento
Ponemos agua en dos vasos, ambos con un mismo volumen, en este caso usamos 60 ml en cada vaso, los que llamaremos A y B
Medimos la altura del agua, para hallar la presión en el fondo del vaso.
Mezclamos ambos vasos en uno solo, el que llamaremos C y volvemos a medir la altura del agua.
4.2.3. Resultados Hallamos las presiones de los vasos mediante la fórmula:
= + ∗ ∗ ℎ + ⋯ + ∗ ∗ ℎ Presión en el fondo de los vasos A y B:
= 74534 + 1000 ⁄ ∗ 9.86 ⁄ 2 ∗ 0.038 = 74908.68 Presión en el fondo del vaso C:
= 74534 + 1000 ⁄ ∗ 9.86 ⁄ 2 ∗ 0.065 = 75174.9 Vasos A y B
Vaso C
Temperatura
12°C
12°C
Presión
74908.68 Pa
75174.9 Pa
Volumen
60 ml
120 ml
11
Foto N°02
4.3. E ns ayo 3: P roceso is obárico 4.3.1. Materiales Agua
Velas
Lata
Fástener
Alicate
4.3.2. Procedimiento
Armamos una pequeña cocina con el uso de las velas, la lata y el faster, para poder calentar el agua.
Vertemos 100 ml de agua en la lata, medimos su temperatura y la ponemos al fuego.
Esperamos que hierva, calculamos el tiempo y la temperatura a la que hierve.
4.3.3. Resultados La presión permanece constante al hervir en un recipiente abierto, la presión atmosférica se mantiene constante en la superficie del agua.
Tiempo
Inicial
Final: 3m 7.77s
Temperatura
12°C
89°C
Presión
74534 Pa
74534 Pa
Volumen
100 ml
93 ml
12
Foto N°03
4.4. E nsayo 4: Proceso is ócoro 4.4.1. Materiales
Agua (100 ml)
Azúcar (1.5 gr)
Vaso
4.4.2. Procedimiento
Medimos una cierta cantidad de agua, en este caso, 100ml, además medimos su temperatura.
Vertemos los 1.5 gr de azúcar en el agua y la disolvemos.
Volvemos a medir el volumen y la temperatura del agua.
4.4.3. Resultados
Vaso
Inicial
Final
Temperatura
85°C
81°C
Presión
74534 Pa
74742 Pa
Volumen
100 ml
100 ml
Foto N°04
13
5. Resultados 5.1. E ns ayo 1: P roces o adiabático
Tiempo
Inicial
Final: 3m 34s
Temperatura Interna
Agua: 85°C
46°C
Hielos: 0°C
Temperatura Externa
12°C
12°C
5.2. E ns ayo 2: P roces o is otérmico
Vasos A y B
Vaso C
Temperatura
12°C
12°C
Presión
74908.68 Pa
75174.9 Pa
Volumen
60 ml
120 ml
5.3. E ns ayo 3: P roces o is obári co
Tiempo
Inicial
Final: 3m 7.77s
Temperatura
12°C
89°C
Presión
74534 Pa
74534 Pa
Volumen
100 ml
93 ml
5.4. E ns ayo 4: P roces o is ócoro
Vaso
Inicial
Final
Temperatura
85°C
81°C
Presión
74534 Pa
74742 Pa
Volumen
100 ml
100 ml
14
6. Discusión de Resultados 6.1. E ns ayo 1: Pr oceso adiabático Se logró comprobar que se realiza un proceso adiabático ya que no existe transferencia de calor ni trabajo con el medio ya que el termo actúa como un aislante y, aunque dentro de él, el hielo y el agua caliente hagan transfe rencia de calor hasta obtener una temperatura uniforme, el medio ambiente no interfiere.
6.2. E ns ayo 2: Pr oces o is otérmico Se comprueba que la temperatura de los vasos se mantiene constante, pero el volumen en los vasos iniciales y en el vaso final es distinto, además logramos calcular la presión en el fondo del vaso mediante la fórmula ya conocida de
= + ∗ ∗ ℎ + ⋯ + ∗ ∗ ℎ , donde notamos que la altura del agua y el volumen interfieren en la presión, ya que nos dan diferentes resultados.
6.3. E ns ayo 3: Pr oces o is obárico Hervir agua en un recipiente abierto, pone a la superficie del agua en una presión atmosférica constante de 74534 Pa (Presión en Cajamarca), y aunque el volumen cambie con la evaporación del agua y asimismo, la temperatura, la presión no lo hace.
6.4. E ns ayo 4: P roceso is ócoro La azúcar mezclada con agua tiene el mismo volumen que el agua sola, por lo tanto se comprueba que estamos frente a un proceso isócoro donde los 100 ml se mantienen constantes.
15
7. Conclusiones y Recomendaciones 7.1. C onclus iones : 7.1.1. General o
Después de desarrollar los experimentos, hemos logrado demostrar los 4 procesos termodinámicos.
7.1.2. Específicos: o
Hemos demostrado que, empleando dos vasos, agua a temperatura ambiente y un sorbete se puede observar un proceso isotérmico siguiendo el proceso realizado.
o
Hemos demostrado que, con agua, velas, una lata, un fastener, un alicate y un termómetro se puede observar un proceso isobárico siguiendo el proceso realizado.
o
Hemos demostrado que, con agua, azúcar y un termómetro podemos observar un proceso isocórico siguiendo el proceso realizado.
o
Hemos demostrado que, con agua caliente, hielos, un termo y un termómetro se puede observar un proceso adiabático siguiendo el proceso realizado.
7.2. Recomendaciones : o
Mejorar los equipos ya presentes en el laboratorio, pues al momento de desarrollar la presente práctica se tuvo muchas dificultades y percances, esto debido a las malas condiciones de algunos equipos, a la vez sugerimos tener una mayor cantidad de equipos y accesorios que ayuden al desarrollo de prácticas, pues debido a la ausencia de estos las dificultades aumentan.
o
Se recomienda mucha atención al momento de desarrollar los experimentos, pues la toma de datos debe ser lo más exacta y precisa para poder así demostrar los distintos procesos termodinámicos; a la vez se recomienda llegar con todos los materiales adecuados para
16
los experimentos, pues si se intenta hacer todo del momento se originará una pérdida de tiempo.
8. Bibliografía
Anónimo. (26 de Enero de 2018). Conversor de Unidades . Obtenido de Convert World: http://www.convertworld.com/ Cengel, Y. &. (2006). Mecánica de Fluidos . McGraw-Hill: Primera Edición. Cengel, Y. &. (2006). Mecánica de Fluidos, fundamentos y aplicaciones. . México: McGraw-HILL/InteramerIcana editores. Domingo, A. M. (1997-2011). Apuntes de Mecánica de Fluidos. España. Rodríguez Martínez, C., & Lafargue Pérez, F. (7 de Octubre de 2011). Scielo. Obtenido de Ingeniería Mecánica: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S181559442012000300001
9. Anexos 9.1. Fotografías
17
9.2. Protocolo 9.2.1. Marco Teórico Los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí. Cuando en un sistema se varían las variables termodinámicas: presión, temperatura, volumen, etc., se dice que se lo somete a un proceso termodinámico. Los procesos son:
-
Proceso isotérmico: Proceso isocórico Proceso isobárico Proceso adiabático
18
9.2.2. Materiales - Termo - Agua a temperatura ambiente - Hielo - Velas - Vasos Descartables - Plastilina - Probeta - Lata - Tubo de plástico de ½ “ 9.2.3. Procedimiento 9.2.3.1.
Proceso Adiabático
Ponemos agua caliente en un termo y medimos la temperatura a la que se encuentra.
Colocamos los hielos dentro del termo, la temperatura de los hielos será 0° C.
Cerramos la tapa del termo y esperamos un tiempo prudente, en nuestro caso 3 minutos con 34 segundos.
Medimos la temperatura interna y externa del termo.
Se comprueba que al interior ha ocurrido una transmisión de calor y en la parte externa no.
9.2.3.2.
Proceso Isotérmico
Ponemos agua en dos vasos, ambos con un mismo volumen, en este caso usamos 60 ml en cada vaso, los que llamaremos A y B
Medimos la altura del agua, para hallar la presión en el fondo del vaso.
Mezclamos ambos vasos en uno solo, el que llamaremos C y volvemos a medir la altura del agua.
9.2.3.3.
Proceso Isocórico
Medimos una cierta cantidad de agua, en este caso, 100ml, además medimos su temperatura.
Vertemos los 1.5 gr de azúcar en el agua y la disolvemos.
Volvemos a medir el volumen y la temperatura del agua.
9.2.3.4.
Proceso Isobárico 19
Armamos una pequeña cocina con el uso de las velas, la lata y el faster, para poder calentar el agua.
Vertemos 100 ml de agua en la lata, medimos su temperatura y la ponemos al fuego.
Esperamos que hierva, calculamos el tiempo y la temperatura a la que hierve.
9.2.4. Tablas de Datos 9.2.4.1.
Proceso adiabático
Tiempo
Inicial
Final: 3m 34s
Temperatura Interna
Agua: 85°C
46°C
Hielos: 0°C
Temperatura Externa 9.2.4.2.
12°C
12°C
Proceso isotérmico
Vasos A y B
Vaso C
Temperatura
12°C
12°C
Presión
74908.68 Pa
75174.9 Pa
Volumen
60 ml
120 ml
9.2.4.3.
Proceso isobárico
Tiempo
Inicial
Final: 3m 7.77s
Temperatura
12°C
89°C
Presión
74534 Pa
74534 Pa
Volumen
100 ml
93 ml
9.2.4.4.
Proceso isocórico
Vaso
Inicial
Final
Temperatura
85°C
81°C
Presión
74534 Pa
74742 Pa
Volumen
100 ml
100 ml
20
21
