calorimetria Estudios@s de · Reflexionemos al respecto, en la descripción que se indica, la...

UNIVERSIDAD MANUELA BELTRÁN

MACROPROCESO DE RECURSOS E INFRAESTRUCTURA ACADÉMICA

FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO UMB - VIRTUAL

Fecha: 7 de octubre de 2016 Código: Versión: 1.0

INFORMACIÓN BÁSICA

NOMBRE DE LA PRÁCTICA Análisis de Calorimetría.

PRÁCTICA No.:

2

ASIGNATURA Física Básica de los equipos industriales. TEMA DE LA PRÁCTICA Calor especifico LABORATORIO Y/O HERRAMIENTA TECNOLÓGICA A UTILIZAR Simulaciones interactivas para ciencias y matemáticas. http://www.educaplus.org/game/calorimetria

A QUIEN VA DIRIGIDO

Estudios@s de Tecnología en Mantenimiento Electromecánico de Equipos Industriales

CONTENIDO DE LA GUÍA (Para elaborar por el Docente)

COMPETENCIAS Aplica los conceptos de calor y temperatura, y establece relaciones entre estos para la comprensión

de los sistemas termodinámicos.

Describe un sistema particular mediante el estudio de sus características termodinámicas, con el fin de proponer la solución a un problema presente en un proceso de mantenimiento de equipos

industriales.

PALABRAS CLAVE Termodinámica Calor Calor especifico Calor latente. Peso especifico MARCO CONCEPTUAL

2.1. Introducción. Calorimetría significa “medición de calor”. Hemos hablado de la transferencia de energía térmica (calor) durante los cambios de temperatura. El calor también interviene en los cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. Una vez que entendamos estas otras relaciones de calor, podremos analizar diversos problemas de cantidad de calor. (Serway, 2008, pág. 558).

http://www.educaplus.org/game/calorimetria





Vamos entonces a estudiar los conceptos de calor, energía interna, calor especifico, calor latente trabajo y procesos termodinámicos; para cerrar la unidad temática con el análisis de la primera ley de la termodinámica y algunas aplicaciones. Es importante el concepto teórico para luego estudiar las aplicaciones industriales correspondientes.

2.2. Marco conceptual.

Calor y energía interna. La materia está conforma por átomos y moléculas, y estas se componen de partículas que tienen energía cinética y potencial. En ese orden de ideas, podemos decir que la energía interna de un sistema corresponde a la suma de las energías cinéticas de todas sus partículas constituyentes, más la suma de todas las energías potenciales que interactúan entre ellas. Reflexionemos al respecto, en la descripción que se indica, la energía interna no incluye la energía potencial que se debe a la interacción entre el sistema y su entorno. Ahora con un ejemplo vamos a ver el mismo concepto, partiendo de que el sistema es un vaso que contiene leche, este es colocado en una repisa alta, dicha situación genera un aumento de la energía potencial gravitacional, ya que aumenta la altura con respecto a la interacción entre el vaso y la Tierra. Al observar al contenido del vaso, no se evidencian cambios, lo que nos permite concluir que la energía interna de la leche no cambia ante el cambio de altura. Usamos el símbolo U para la energía interna. (Usamos el mismo símbolo para energía potencial en mecánica. Tenga presente que U tiene un significado distinto en termodinámica.) Durante un cambio de estado del sistema, la energía interna podría cambiar de un valor inicial U1 a uno final U2. Denotamos el cambio como

∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1 Como hemos visto, la transferencia de calor es transferencia de energía. Si agregamos cierta cantidad de calor Q a un sistema y este no realiza trabajo, la energía interna aumenta en una cantidad igual a Q; es decir,

∆𝑈 = 𝑄 Si el sistema efectúa un trabajo W expandiéndose contra su entorno y no se agrega calor durante ese proceso, sale energía del sistema y U disminuye. Es decir, si W es positivo, U es negativo, y viceversa:

∆𝑈 = −𝑊

Calor específico y calor latente Es fundamental entender que los cambios de estado no cambian la naturaleza de la sustancia, se producen a una temperatura constante a una determinada presión, en donde dicha sustancia tiene la característica de entregar o absorber calor. Con las ideas anteriores claras vamos a trabajar dos conceptos: calor específico. Se representa con la letra C, se mide en la unidad de temperatura que estemos manejando en el correspondiente análisis, corresponde a la cantidad de energía térmica, calor, necesaria para elevar en una unidad de temperatura una unidad de masa de esa sustancia particular. Ahora bien, el calor latente corresponde a la cantidad de energía requerida para que una sustancia cambie de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización), de tal forma que para los procesos inversos, para cambiar de estado gaseoso a liquido o de líquido a sólido, se libera la misma cantidad de energía. Las magnitudes de los calores latentes dependen de la temperatura o presión en la que ocurre el cambio de fase. Por ejemplo: a una atmosfera de presión, el calor latente de fusión del agua es de 333,7 kJ/kg, mientras que el de evaporación es de 2.256,5 kJ/kg. (Cengel, 2012, pág. 116).





Trabajo y procesos termodinámicos Para Cengel (2012) la definición de trabajo es una transferencia de energía a través de la frontera de un sistema asociada a un cambio en las variables macroscópicas, lo que quiere decir que hay diferentes talantes a tener en cuenta: El trabajo se aloja en los límites del sistema, no se almacena, sino que es un paso de energía entre fronteras. Dicho trabajo tiene que ver con el cambio de variables macroscópicas, entre ellas: presión, volumen, voltaje y posición. La temperatura es una variable microscópica. Para facilitar la comprensión del trabajo desde la termodinámica, veamos el trabajo desde la mecánica: una masa sobre la cual se ejerce fuerza, recorre una distancia. Descrito por: 𝑊 = 𝐹𝑑 Dónde: W Trabajo F Fuerza d Distancia El trabajo efectuado sobre un gas, contenido en un cilindro, es comprimido por un embolo que es accionado con una presión P, tenemos: 𝐹 = 𝑃𝐴 Dónde: F Fuerza P Presión A Área Dicha fuerza F, genera un desplazamiento dx del embolo, lo que se traduce en una variación del volumen del gas contenido, así:

𝑉𝑓 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝑥 Cumpliendo:

𝑉𝑖 = 𝐴𝑙 , y

𝑉𝑥 = 𝐴𝑑𝑥

Ilustración 1. Gas comprimido en un tanque, la compresión se realiza por medio de la presión ejercida

sobre un embolo de sección A. El autor.

Dónde: V Volumen. A Área del embolo que actúa sobre el gas. l Longitud que ocupa dentro del cilindro el gas.





Donde aplicamos la ecuación del trabajo, con la fuerza y la distancia dx, y se puede expresar:

𝑊 = 𝑃 𝑉𝑥 Para dar continuidad al proceso, es fundamental el manejo de unidades, tenemos que la unidad de trabajo es el Joul (J), 1J = 1 Pa xm3

1𝐽 = 1 𝑃𝑎 𝑥 𝑚3 Dónde: J Joule (Unidad de trabajo) Pa Pascal (unidad de presión) 𝑚3 metro cúbico (unidad de volumen) Para finalizar este punto es necesario entender que, si el trabajo se realiza por el entorno sobre el sistema, toma un valor positivo (entra energía). A diferencia, cuando el trabajo es realizado por el sistema sobre el entorno, la solución matemática nos ofrecerá un resultado negativo (sale energía). PREPARACIÓN DE LA PRACTICA Antes de aventurarse a realizar la actividad es oportuno que sea consciente de a ver hecho lo siguiente:

Lectura completa de esta propuesta educativa. Lectura y análisis de los elementos conceptuales del módulo cuatro a través de sus pdf. Observación de los vídeos, ubicados en el material complementario del módulo.

Pre – Informe debe contener (Requisito de entrega). Elaborar una infografía (en la cual se visualice de una manera clara y coherente la información solicitada. La infografía debe contener gráficos, imágenes, explicaciones cortas, y demás elementos que usted considere pertinentes), relacionada con: Calorimetría o calor especifico.

METODOLOGIA A SEGUIR

TIEMPOS PARA EL DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Ver cronograma de Actividades.

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Analizar el comportamiento de la calorimetría en varias sustancias y explicar cómo puede afectar

su calor especifico.





DESCRIPCIÓN DE LA ACTIVIDAD Se realizará un acercamiento a una práctica de laboratorio con la implementación de un simulador sobre calorimetría encuentran en el sitio web de educaplus.org,

http://www.educaplus.org/game/calorimetria para presentar un informe de laboratorio que permita dar evidencia del estudio de los conceptos relacionados con calorimetría . La nota del informe de laboratorio depende de entregar un documento en formato Word o en pdf y se exigirá el uso de un editor de ecuaciones para recibir su actividad, que contenga como mínimo:

Objetivos. Materiales (dibujados o imágenes). Marco teórico (resumiendo la temática abordada). Procedimientos. Toma de datos, análisis de datos. Extrapolaciones. Conclusiones.

MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR (Indicar las cantidades)

Materiales Cantidad Computador 1

Cuaderno 1 Simulador: educaplus.org 1

Calculadora 1

PRECAUCIONES Y MANEJO DE MATERIALES Y EQUIPOS. CONSULTA DE EQUIPO ESPECIALIZADO. La práctica no representa peligro alguno. PROCEDIMIENTO A UTILIZAR

1.Ingresar al simulador de educaplus.org: http://www.educaplus.org/game/calorimetria En los temas de: Calorimetría.







2. Tomando como referencia que existe un simulador para el cálculo de la calorimetría, realice las siguientes mediciones:

Utilice el simulador “Calorimetría”, y escoja la sustancia B, teniendo en cuenta las condiciones iniciales tanto la sustancia como el agua del simulador.

Posteriormente revisa la gráfica que diseñada por el simulador. Interpreta la gráfica mostrada. Escoja la sustancia D, a condiciones iniciales tanto la sustancia como el agua e interprete la

gráfica. Cambie las condiciones iniciales de la sustancia B; Masa 70g y temperatura 90°C, e interprete su

gráfica. Cambie las condiciones iniciales del agua de la sustancia D; Masa 100g y temperatura 30°C, e

interprete su gráfica.

3. Responda las siguientes preguntas para el análisis de datos.

Explique físicamente la diferencia de los resultados obtenidos en las dos sustancias con condiciones iniciales.

Explique físicamente la representación gráfica de las sustancias B y D

Calcule el calor especifico de la sustancia A, D y F recuerde que puedes tomar temperaturas diferentes.

Explique cuál es la diferencia del calor especifico en cada sustancia.

4. Construye el informe de laboratorio con el formato anexo y entrega la actividad para ser valorada.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN





Las fechas están fijadas desde la carpeta de guía didáctica, donde dice “plan de formación y cronograma de actividades”. Ver rúbrica





GLOSARIO: Presión: es un concepto muy usado en el mundo ingenieril y hace referencia a la fuerza normal aplicada sobre una superficie. Tensión Superficial: son fuerzas cohesivas de las moléculas en el líquido no tienen otras a su alrededor como lo son las moléculas del interior del fluido, esto ocasiona que las moléculas en la superficie se cohesionen con más fuerza entre ellas. Módulo Volumétrico: Indica la compresibilidad de un fluido y puede ser expresada mediante la relación de la diferencia de presiones ΔP y el incremento unitario del volumen ∆V/V. Fluido Newtoniano: Son aquellos de mantienen u viscosidad constante e independiente. Fluido no Newtoniano: Son aquellos que contienen una relación no lineal del esfuerzo cortante de la velocidad angular. Viscosidad: Es la propiedad de un fluido que mide la resistencia a esfuerzo cortantes. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS RECOMENDADAS – Normas APA

Barbosa, J. G. (2015). Termodinámica para Ingenieros. México: Grupo Editorial Patria.

Cengel, Y. (2012). Termodinámica. Mëxico D.F.: McGraw-Hill.

Figueroa, M. (2001). Fïsica. Firmas Press.

Gil, S. R. (2015). Termometría - Sensores de temperatura.

http://www.omega.com/prodinfo/thermocouples.html. (24 de 05 de 2015). Obtenido de http://www.omega.com/prodinfo/thermocouples.html

Serway, R. (2008). Física para ciencias e ingeniería, Séptima edición. México D.F.: Cengage Learning Editores.

ELABORÓ (Personas que elaboraron la

guía)

REVISÓ (Director de Programa o

Área)

APROBÓ (Laboratorios)

Firma Nombre: Fernando Torres Fecha: 19 de enero 2018

Firma Nombre: Fecha:

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