UNIVERSIDAD TECNICA DE ORUROFACULTAD NACIONAL DE INGENIERIAINGENIERIA MECANICA

TERMODINAMICA TECNICAMEC-2244-A

LABORATORIO N2EVALUACION ENERGETICA DE LOS CAMBIOS DE FASE DEL AGUAPgina 1 de 41

RESUMEN

En los diferentes estados que podemos encontrar la materia en la naturaleza son tres primordiales:Solido lquido y gaseoso y la sustancia q es ms conocida para nosotros y que est a nuestra disposicin es el agua. Cotidianamente estamos acostumbrados a ver a esta sustancia en los tres estados fundamentales como hielo a temperaturas prximas a 0 C en forma de lquido en temperaturas ambientales y forma de vapor de agua cuando alcanza su ebullicin.En la termodinmica el estudio de cambios de fase es muy importante ya que nos permite estudiar conceptos como el calor latente y el calor sensible y a lo q se debe llegar a este laboratorio es comprobar la validez del diagrama y comprobar q los cambios de fase son a temperatura constanteDurante la realizacin del laboratorio, se pudo observar que el proceso de evaporacin verdaderamente es un proceso a temperatura constante, pero en el proceso de fusin del hielo, se observ que la temperatura al final del proceso fue de 88.2 C, sin embargo este hecho se explica debido a la existencia de una nica fuente de calor, colocada en la base del vaso de precipitados, lo cual ocasion que una vez que una parte del hielo se fundi, el hielo restante se fue a la superficie del lquido por diferencia de densidades, y el agua que estaba en la base se fue calentando, ocasionando la elevacin de la temperatura.

RESULTADOSProceso de FusinProceso de EbullicinProceso de Evaporizacin

Calor aportado [KJ]1939 271276 171478 20

Calor ganado [KJ]703 3489 2791 22

Calor perdido[KJ]1235 27787 17686 30

Rendimiento %36.2735.5553.53

INDICE1. INTRODUCCION 41.1. ANTECEDENTES 41.2. OBJETIVOS 41.3. FUNDAMENTO TEORICO 41.3.1. SUSTANCIA PURA 41.3.2. TEMPERATURA DE SATURACIN Y PRESIN DE SATURACIN 51.3.3. DIAGRAMAS DE ESTADO Y DIAGRAMA DE FASE 6 1.3.3.1. Diagrama T-v 6 1.3.3.2. Diagrama P-v 7 1.3.3.3. Diagrama P-T 8 1.3.3.4. LA SUPERFICIE P-v-T91.3.4. TABLAS DE PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURA 9 1.3.5. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA 131.3.5.1. FUSION14 1.3.5.1.1. PUNTO DE FUSIN 151.3.5.2. SUBLIMACION16 1.3.5.2.1. EL CICLO DEL AGUA Y LA SUBLIMACIN 17 1.3.5.2.2. EL FENMENO DE SUBLIMACIN PROGRESIVA 17 1.3.5.2.3. EL FENMENO DE SUBLIMACIN REGRESIVA O INVERSA (DEPOSICIN) 181.3.5.3. EBULLICIN 18 1.3.5.3.1. PUNTO DE EBULLICIN 19 1.3.5.3.2. CLCULO DEL PUNTO DE EBULLICIN201.3.5.4. SOLIDIFICACIN211.3.5.5. CONDENSACIN211.3.5.6. DEPOSICION231.3.6. DIAGRAMA DE SANKEY23 1.3.7. CALOR SENSIBLE241.3.8. CALOR LATENTE241.3.9. EFECTO JOULE 25

2. METODOLOGIA262.1. EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS UTILIZADOS 262.1.1. FICHAS TECNICAS 262.2. MONTAJE DEL EQUIPO 30 2.3. DESCRIPCIN DEL EXPERIMENTO 30 2.4. REGISTRO DE DATOS 31 2.5. CALCULOS 32 2.6. RESULTADOS39

3. DISCUSIN E INTEPRETACIN DE RESULTADOS404.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.405.BIBLIOGRAFA416. ANEXOS41

1. INTRODUCCINEl agua es la sustancia en la que estamos ms familiarizados, porque la observamos en sus tres estados: hielo, agua lquida, y vapor.Se llama cambio de estados de una sustancia al paso de una fase a otra que coexiste con la primera, en el caso de laboratorio, se quiere demostrar que agregando calor, se puede propiciar el cambio de fase de estado slido a estado lquido, llamado fusin, y de estado lquido a estado gaseoso llamado vaporizacin

1.1. ANTECEDENTESEste laboratorio es una continuacin en la temtica del anterior laboratorio, basada en que la disciplina del laboratorio tiene que tener una clara percepcin de la instrumentacin, la adquisicin y el uso de datos basados en la medicin, es que se encara este laboratorio. Esto permitir a los estudiantes repasar y reforzar sus tcnicas y conceptos de la medicin direccionadas especialmente a las dimensiones termodinmicas vinculadas ahora con la medicin de la temperatura.En esta prctica se encarar principalmente la medicin de la temperatura a travs del uso de un quid completo de sensores de temperatura y un sistema de almacenamiento de datos termodinmicos.1.2. OBJETIVOS-Mediante el seguimiento experimental de procesos de cambio de fase del agua a travs de la medicin de la temperatura, tiempo, masa y parmetros de consumo energtico, consolidar los conceptos vinculados con los cambios de fase a travs de la cuantificacin experimental del calor latente y calor sensible.-Consolidar el concepto de rendimiento y los recursos vinculados con la aplicacin de la primera ley y el balance de energas.

2.3. FUNDAMENTO TERICO2.3.1. SUSTANCIA PURA

Es toda sustancia que tiene su composicin qumica homognea e invarianteEjemplo: el agua, el nitrgeno, el oxgeno, el amonaco y muchos ms.La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: slido, lquido y gaseosa. Dependiendo de los valores de presin y temperatura una sustancia puede estar como slido, lquido o vapor o presentarse en dos o tres fases a la vez.

2.3.2. TEMPERATURA DE SATURACIN Y PRESIN DE SATURACINLa temperatura y presin de saturacin son aquellas en donde ocurre la ebullicin de una sustancia pura. Para una presin de saturacin existe un nico valor de temperatura de saturacin y viceversa. Para el agua, a una presin de 101.35 kPa la temperatura de saturacin es 100C. En sentido inverso, a una temperatura de 100C la presin de saturacin es 101.35 kPa. La grfica de Psat contra Tsat da una curva caracterstica para cada sustancia pura y se conoce como curva de saturacin de lquido-vapor.

Figura 1 Curva de saturacin lquido-vapor de una sustancia pura (los valores numricos corresponden al agua).

Se puede observar que la temperatura de saturacin aumenta con un incremento de la presin. Cuando se cocina, las temperaturas de ebullicin ms altas implican tiempos de coccin ms cortos y ahorros de energa. Por ejemplo, cuando se cocina en una olla de presin la temperatura de ebullicin es superior a los 100C ya que la presin que se consigue en una olla de presin es superior a los 101.35 kPa. En aquellos sitios que se encuentran por encima del nivel del mar, la presin atmosfrica disminuye en la medida que se asciende as como la temperatura de saturacin por lo que el tiempo de coccin en estos sitios es mayor.

1.3.3. DIAGRAMAS DE ESTADO Y DIAGRAMA DE FASELos diagramas de estado permiten representar los distintos cambios de estado que experimentan las sustancias. Estos son los diagramas P-v y T-v. El diagrama de fase nicamente representa las tres fases para cualquier sustancia.

1.3.3.1. Diagrama T-vEl diagrama T-v se obtiene de la proyeccin de la superficie PvT (Figura 2) en el plano T-v. La proyeccin resultante sobre un plano paralelo a los ejes T-v se muestra en la Figura 2. En este diagrama tanto las regiones de una y dos fases aparecen como reas.

Figura 2 Superficie P-v-T de una sustancia que se expande al congelarse (como el agua).

Es comn que dos fases estn en equilibrio, pero en algunas condiciones las tres fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. En los diagramas P-v o P-T, estos estados de fase triple forman la lnea triple. Los estados de una sustancia sobre la lnea triple tienen la misma presin y temperatura, pero diferentes volmenes especficos. La lnea triple aparece como un punto sobre los diagramas P-T y, por tanto, suele denominarse punto triple.

Figura 2.1. Figura T-v de una sustancia pura.Los estados de lquido saturado en la Figura 1.3. pueden conectarse mediante una lnea, lnea de lquido saturado, y los estados de vapor saturado en la misma figura pueden conectarse mediante la lnea de vapor saturado. Estas dos lneas se alcanzan en el punto crtico, formado un domo como muestra la Figura 1.3. El punto crtico se define como el punto al cual los estados de lquido saturado y de vapor saturado son idnticos. La temperatura, la presin y el volumen especfico de una sustancia en el punto crtico se denominan, temperatura crtica Tcr , presin crtica Pcr y volumen especfico crtico vcr. Las propiedades del punto crtico del agua son Pcr=22.09 Mpa, Tcr=374.14 C y vcr=0.003155 m3/kg.

1.3.3.2. Diagrama P-vEl diagrama P-v se obtiene de la proyeccin de la superficie P-v-T (Figura 2) en el plano P-v (Figura 2.2.). La forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar al diagrama T-v, pero las lneas de T=constante sobre este diagrama presentan una tendencia hacia abajo, como muestra la Figura 2.2.Tanto en el diagrama T-v como en el diagrama P-v las regiones de una y dos fases aparecen como reas. La lnea de lquido saturado representa los estados de la sustancia tales que cualquier adicin infinitesimal de energa a la sustancia a presin constante cambiar una pequea fraccin de lquido en vapor. De modo semejante, al sustraer energa de la sustancia en cualquier estado que cae dentro de la lnea de vapor saturado origina una condensacin del vapor, mientras que la adicin de energa sobrecalienta al vapor. La regin de dos fases, que se denomina lquido y vapor saturados y que queda entre las lneas de lquido saturado y vapor saturado, generalmente se llama regin hmeda o bveda hmeda.

Fig. 2.2 Diagrama P-v de una sustancia pura.

1.3.3.3. Diagrama P-TLa Figura 2.3.muestra el diagrama P-T de una sustancia pura, llamado diagrama de fase puesto que las tres fases se separan entre s mediante tres lneas.

Fig. 2.3.. Diagrama P-T de sustancias puras.Resulta de la proyeccin de la superficie PvT de una sustancia sobre el plano P-T. La lnea de sublimacin separa las regiones slida y de vapor, la lnea de vaporizacin divide las regiones lquida y de vapor, y la lnea de fusin separa las regiones slida y lquida. Estas tres lneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La lnea de vaporizacin finaliza en el punto crtico porque no se pueden distinguir las fases lquida y de vapor arriba del punto crtico. Las sustancias que se expanden y contraen al congelarse difieren solo en la lnea de fusin en el diagrama P-T.

1.3.3.4. LA SUPERFICIE P-v-T

Desde el punto de vista matemtico, cualquier ecuacin con dos variables independientes en la forma z=z(x,y) representa en un espacio tridimensional una superficie rectangular, por tanto, es posible representar el comportamiento P-v-T de una sustancia como una superficie en el espacio, como muestra la Figura 2. Todos los puntos sobre la superficie representan estados de equilibrio. La totalidad de los estados a lo largo de la trayectoria de un proceso yacen sobre la superficie P-v-T, puesto que tal proceso debe pasar por estados de equilibrio. Las regiones de una fase aparecen como superficies curvas sobre la superficie P-v-T, y las regiones de dos fases como superficies perpendiculares al plano P-T. Era de esperarse puesto que las proyecciones de las regiones de dos fases sobre el plano P-T son lneas. Todos los diagramas bidimensionales vistos hasta ahora, slo son proyecciones de esta superficie tridimensional sobre los planos apropiados.

1.3.4. TABLAS DE PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS

Para la mayora de las sustancias las relaciones entre las propiedades termodinmicas son demasiado complejas, como para expresarse por medio de ecuaciones simples. Por tanto, las propiedades se presentan en la forma de tablas. Algunas propiedades termodinmicas pueden medirse con finalidad pero con otras no es posible hacerlo de manera directa y se calculan mediante las relaciones que las vinculan con propiedades medibles. Los resultados de estas mediciones y los clculos se presentan en tablas con un formato conveniente. En el siguiente anlisis, se utilizarn tablas de vapor, para mostrar el uso de tablas con propiedades termodinmicas. Las tablas de propiedades de otras sustancias se utilizan de la misma manera. Para cada sustancia, las propiedades termodinmicas se listan en ms de una tabla. Se prepara una tabla para cada regin, como las de vapor sobrecalentado, lquido comprimido y saturada (regin hmeda).

a) Lquido Saturado y Vapor Saturado: Tablas de Saturacin

El subndice f se emplea para denotar propiedades de un lquido saturado y el subndice g, para las propiedades de vapor saturado. Otro subndice utilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los valores de vapor saturado y lquido saturado de la misma propiedad. Figura 2.2 y 2.3. Ejm,vf : volumen especfico del lquido saturadovg : volumen especfico del vapor saturadovfg : diferencia entre vg y vf

b) Mezcla Saturada de Lquido-Vapor

En el proceso de evaporacin, una sustancia pasa de su condicin de lquido saturado a vapor saturado por lo que la sustancia existe como parte lquida y como parte vapor. Esto es, es una mezcla de lquido y vapor saturados. Figura 2.1 - 2.2 y 2.3. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases lquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una propiedad llamada la calidad x como la razn entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla

(ec.1)Dnde:(ec.1.2)

La calidad tiene importancia slo dentro de la campana. No tiene significado en las regiones de lquido comprimido o vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra entre 0 y 1. Para calcular las propiedades de la sustancia dentro de la regin lquido-vapor, se debe conocer el porcentaje de vapor saturado presente en la mezcla lquido-vapor es decir, el valor de la calidad.En una mezcla saturada de lquido-vapor, el volumen ocupado por la mezcla se puede expresar como:(ec. 1.3) Como (ec. 1.4)

Sustituyendo en 1.4 se puede escribir la siguiente expresin:(ec. 1.5)

Dividiendo por la masa: (ec. 1.6)

Observe que la relacin mg/m representa el porcentaje en masa de vapor saturado en la mezcla y es lo que se conoce como calidad, mientras que la relacin mf/m representa el porcentaje en masa de lquido saturado en la mezcla y se denomina humedad, pudindose expresar como (1-x).(ec. 1.7)

S, la expresin 1.6 para el volumen especfico de la mezcla saturada lquido-vapor, queda de la siguiente forma:

(ec. 1.8)

La ecuacin 1.8 se puede generalizar para calcular cualquier propiedad especfica dentro de la regin lquido-vapor:

(ec. 1.9)

c) Vapor sobrecalentado

El vapor sobrecalentado se encuentra en la regin derecha de la lnea de vapor saturado. Figura 2.2 y 2.3 Como la regin de sobrecalentamiento es de una sola fase, se necesitan dos propiedades intensivas para fijar o definir el estado de equilibrio. Las tablas de vapor sobrecalentado presentan el volumen especfico y otras propiedades especficas como funcin de la presin y la temperatura.

d) Lquido subenfriado o comprimido

El lquido comprimido se encuentra en la regin izquierda de la lnea de lquido saturado. Figura 2.2 y 2.3. La literatura no ofrece gran cantidad de datos en forma de tablas para los lquidos comprimidos o subenfriados. La variacin de las propiedades del lquido comprimido debido a la presin es muy ligera, mientras que con la temperatura muestran mayor dependencia. En la mayora de los casos, cuando no se dispone de tablas de lquido comprimido para una sustancia pura, los datos sobre el lquido comprimido se pueden aproximar bastante al usar valores de las propiedades del estado lquido saturado a la temperatura dada. Esto implica que los datos del lquido comprimido dependen ms de la temperatura que de la presin.

Fig. 2.4 1.3.5. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA

Fig. 3 Cambios de fase

Diagrama de los cambios de estado entre los estados slido, lquido y gaseoso.Para cada elemento o compuesto qumico existen determinadas condiciones de presin y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se hace referencia nicamente a la temperatura de cambio de estado, que sta se refiere a la presin de la atm. (la presin atmosfrica). De este modo, en "condiciones normales" (presin atmosfrica, 0C) hay compuestos tanto en estado slido como lquido y gaseoso (S, L y G).Los procesos en los que una sustancia cambia de estado son: la sublimacin (S-G), la vaporizacin (L-G), la condensacin (G-L), la solidificacin (L-S), la fusin (S-L), y la sublimacin inversa (G-S). Es importante aclarar que estos cambios de estado tienen varios nombres.1.3.5.1. FUSIN

Fig. 3.1 Fusin del hieloLa fusin es un proceso fsico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado slido al estado lquido por la accin del calor. Cuando se calienta un slido, se transfiere calor a los tomos, los cuales vibran con ms rapidez a medida que ganan energa.El proceso de fusin de la materia es el mismo que el de fundicin, pero este ltimo trmino se aplica generalmente a sustancias como los metales, que se lican a altas temperaturas, y a slidos cristalinos. Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de fusin, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su transformacin, y no produce variacin de su temperatura. Este calor adicional se conoce como calor de fusin. El trmino fusin se aplica tambin al proceso de calentar una mezcla de slidos para obtener una disolucin lquida simple.1.3.5.1.1. PUNTO DE FUSINPuntos de fusin (en azul) y puntos de ebullicin (en rosado) de los ocho primeros cidos carboxlicos (C).El punto de fusin es la temperatura a la cual la materia pasa de estado slido a estado lquido, es decir, se funde.Al efecto de fundir un metal se le llama fusin (no podemos confundirlo con el punto de fusin). Tambin se suele denominar fusin al efecto de licuar o derretir una sustancia slida, congelada o pastosa, en lquida.En la mayora de las sustancias, el punto de fusin y de congelacin, son iguales. Pero esto no siempre es as: por ejemplo, el Agar-agar se funde a 85C y se solidifica a partir de los 31C a 40C; este proceso se conoce como histresis.En geologa, se denomina punto de solidus a la temperatura en la que empieza a fundirse una roca y punto de liquidus a la temperatura en la que la fusin es total. Tanto la presencia de agua como una disminucin de la presin pueden rebajar los puntos de solidus y liquidus de una roca, facilitando la formacin de magmas sin aumentar la temperatura.

Fig.3.1.1 El dispositivo de medicin del punto de fusin m5000A diferencia del punto de ebullicin, el punto de fusin de una sustancia es poco afectado por la presin y, por lo tanto, pueden ser utilizados para caracterizar compuestos orgnicos y para comprobar su pureza.El punto de fusin de una sustancia pura es siempre ms alto y tiene una gama ms pequea de variacin que el punto de fusin de una sustancia impura. Cuanto ms impura sea, ms bajo es el punto de fusin y ms amplia es la gama de variacin. Eventualmente, se alcanza un punto de fusin mnimo. El cociente de la mezcla que da lugar al punto de fusin posible ms bajo se conoce como el punto eutctico, perteneciente a cada tomo de temperatura de la sustancia a la cual se someta a fusin. El punto de fusin de un compuesto puro, en muchos casos se da con una sola temperatura, ya que el intervalo de fusin puede ser muy pequeo (menor a 1). En cambio, si hay impurezas, stas provocan que el punto de fusin disminuya y el intervalo de fusin se ample. Por ejemplo, el punto de fusin del cido benzoico impuro podra ser:pf = 117-1201.3.5.2. SUBLIMACIN

Fig. 3.2 Yodo sublimndoseLa sublimacin (del latn sublimare) o volatilizacin es el proceso que consiste en el cambio de estado de slido al estado gaseoso sin pasar por el estado lquido. Al proceso inverso se le denomina deposicin o sublimacin regresiva; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado slido. Un ejemplo clsico de sustancia capaz de sublimarse a presin y temperatura ambiente es el hielo seco.1.3.5.2.1. EL CICLO DEL AGUA Y LA SUBLIMACINEl agua puede encontrarse en cuatro estados: slida, lquida, gaseosa y plasmtica. El agua en la Tierra constituye la hidrosfera, y se distribuye en tres tipos de reservas o compartimentos esenciales, particularmente dentro del medio ecolgico, los ocanos, los continentes y la atmsfera, entre los que existe una continua circulacin que configura el ciclo hidrolgico. El ciclo hidrolgico es mantenido por la radiacin del sol, que proporciona la energa, y la fuerza gravitatoria, que condiciona y orienta la circulacin. Por medio de esta secuencia de fenmenos, el agua de la superficie terrestre pasa como vapor a la atmsfera y regresa a sus fases lquidas y slidas a travs de las diversas formas de precipitacin. El agua pasa al estado de vapor, no slo por la evaporacin directa y la transpiracin de las plantas y animales, sino por sublimacin (paso directo del agua slida a vapor de agua).1.3.5.2.2. EL FENMENO DE SUBLIMACIN PROGRESIVALos slidos tienen presiones de vapor, caractersticas que oscilan con la temperatura como sucede con lquidos. Aumentando la temperatura, aumenta tambin la presin de vapor del slido. El suceso de la estabilizacin de un slido con vapor saturado, que vara su presin con la temperatura, a esa inflexin se llama curvatura de sublimacin. Este fenmeno ocurre a menor presin y menor temperatura que el punto triple de un Diagrama de fase de la sustancia estudiada. Se determina como sublimacin el indicar la conversin directa slido-vapor, sin la intervencin lquida. Por ejemplo, la purificacin del yodo, azufre, naftaleno o cido benzoico resultan muy viables por sublimacin, debido a que las presiones de vapor de estos slidos tienen valores bastante elevados.Los olores caractersticos de muchas sustancias slidas, como las nombradas, son debidos a que estas sustancias tienen una presin de vapor apreciable a temperatura ambiente. Otro ejemplo es el ms comn para ilustrar sublimacin es a travs de hielo seco, que es el nombre comn que se le da al CO2 slido. Cuando el hielo seco se expone al aire, ste comienza a sublimar (se convierte en vapor). Algunos ejemplos podran ser: -Una naftalina cuando se echa a la sartn pasa de slido a gas inmediatamente.1.3.5.2.3. EL FENMENO DE SUBLIMACIN REGRESIVA O INVERSA (DEPOSICIN)Es el proceso inverso a la sublimacin progresiva, es decir, el paso directo de gas a slido. Por ejemplo, cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo y luego se pone sobre ellos un objeto que est muy fro; entonces, los vapores se transformarn nuevamente en cristales de yodo. Histricamente la palabra sublimado se refiri a las sustancias formadas por deposicin a partir de vapores (gases), como el sublimado corrosivo, cloruro mercrico, formado por alteracin de los calomelanos cristalizados obtenido durante las operaciones alqumicas.Cualquier sustancia pura puede sublimarse, esto es debido a condiciones de presiones superiores y temperaturas inferiores a la que se produce dicha transicin. En la naturaleza la sublimacin inversa se observa en la formacin de la nieve o de la escarcha. Las partculas partiendo de las cuales se produce la acrecin o acrecimiento planetario, se forman por sublimacin inversa a partir de compuestos en estado gaseoso originados en supernovas.1.3.5.3. EBULLICIN

Fig.3.3. Agua en proceso de ebullicin.

La ebullicin es el proceso fsico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del lquido iguala al punto de ebullicin del lquido a esa presin. Si se contina calentando el lquido, ste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversin de la materia en estado lquido al estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la materia, ya como gas.Este proceso es muy distinto a la evaporacin, que es paulatino y para el que, en altitudes superiores, la presin atmosfrica media disminuye, por lo que el lquido necesita temperaturas menores para entrar en ebullicin.En una olla a presin, el agua, por ejemplo, llega a una temperatura de 120 o 130C antes de hervir, debido a la mayor presin alcanzada por los gases en su interior. Gracias a esta mayor temperatura del agua en el interior de la olla, la coccin de la comida se da ms rpidamente.La adicin de aditivos al agua puede hacer aumentar o disminuir su punto de ebullicin.El proceso de ebullicin del agua, especialmente a alta presin, se utiliza desde la antigedad como medio para esterilizar el agua, debido a que algunos microorganismos mueren a esta temperatura.1.3.5.3.1. PUNTO DE EBULLICINLa definicin formal de punto de ebullicin es aquella temperatura en la cual la presin de vapor del lquido iguala a la presin de vapor del medio en el que se encuentra. Coloquialmente, se dice que es la temperatura a la cual la materia cambia del estado lquido al estado gaseoso.La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energa cintica media de las molculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullicin, slo una pequea fraccin de las molculas en la superficie tiene energa suficiente para romper la tensin superficial y escapar. Este incremento de energa constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropa del sistema (tendencia al desorden de las partculas que componen su cuerpo).El punto de ebullicin depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente - dipolo inducido o puentes de hidrgeno).El punto de ebullicin no puede elevarse en forma indefinida. Conforme se aumenta la presin, la densidad de la fase gaseosa aumenta hasta que, finalmente, se vuelve indistinguible de la fase lquida con la que est en equilibrio; sta es la temperatura crtica, por encima de la cual no existe una fase lquida clara. El helio tiene el punto normal de ebullicin ms bajo (-268,9 C) de los correspondientes a cualquier sustancia, y el carburo de tungsteno, uno de los ms altos (5555 C).1.3.5.3.2. CLCULO DEL PUNTO DE EBULLICINEl punto de ebullicin normal puede ser calculado mediante la frmula de Clausius-Clapeyron: (1.3.11)dnde:

= es el punto de ebullicin normal en Kelvin

= es la constante de los gases, 8.314 J K1 mol1

= es la presin de vapor a la temperatura dada, atm

= es la entalpa de vaporizacin, J/mol

= la temperatura a la que se mide la presin de vapor, K

= es el logaritmo natural

1.3.5.4. SOLIDIFICACIN

Este diagrama muestra la nomenclatura para las diferentes transiciones de fase su relacin con la variacin de la entalpa.La solidificacin es un proceso fsico que consiste en el cambio de estado de la materia de lquido a slido producido por una disminucin en la temperatura o por una compresin de este material. Es el proceso inverso a la fusin, y sucede a la misma temperatura. Ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras,aumenta el volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos.Tambin se llama solidificacin al proceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla, en esos casos al deshidratarse a temperatura constante.En el diagrama adjunto, faltara concretar lo que es "licuefaccin", que es paso a lquido. Se dice que el azcar se lica cuando al calentarse pasa de estado en granos cristalizados a ser un lquido marrn, de alta viscosidad.1.3.5.5. CONDENSACINCondensacin de la humedad ambiental en la superficie de la garrafa por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior.Se denomina condensacin al cambio de fase de la materia que se encuentra en forma gaseosa (generalmente vapores) y pasa a forma lquida. Es el proceso inverso a la vaporizacin. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado slido de manera directa, el proceso es llamado sublimacin inversa o deposicin. Si se produce un paso del estado lquido a slido se denomina solidificacin.

Fig. 3.4 Condensacin en una ventanaAunque el paso de gas a lquido depende, entre otros factores, de la presin y de la temperatura, generalmente se llama condensacin al trnsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresin elevada para forzar esta transicin, el proceso se denomina licuefaccin.El proceso de condensacin suele tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de roco, sin embargo este punto tambin puede ser alcanzado variando la presin. El equipo industrial o de laboratorio necesario para realizar este proceso de manera artificial se llama condensador.La ciencia que estudia las propiedades termodinmicas del aire hmedo y los efectos que tiene la variacin de la humedad atmosfrica sobre los materiales y el ser humano. Las interrelaciones entre los parmetros que determinan la condicin del aire hmedo se representan en los diagramas psicromtricos. La condensacin es un proceso regido con los factores en competicin de energa y entropa. Mientras que el estado lquido es ms favorable desde el punto de vista energtico, el estado gas es el ms entrpico.La condensacin es esencial para el proceso de destilacin, un proceso muy importante tanto para el trabajo en el laboratorio como para aplicaciones industriales.El hecho de que la condensacin sea un proceso natural, el llamado roco, provoca que sea de gran utilidad para conseguir agua: Podemos encontrar muchas estructuras creadas con el nico propsito de conseguir agua a partir de la condensacin, como el caso del estanque de roco o un colador para recoger la humedad del aire. Muchos de los sistemas que se usan para recoger agua a partir de la condensacin son usados para aprovechar y mantener la humedad de la tierra en zonas con una avanzada desertificacin en proceso. Algunas organizaciones educan a los habitantes de dichas zonas para ayudarles a afrontar la situacin.1.3.5.6. DEPOSICIONDeposicin es un proceso termodinmico en el cual un gas se transforma en un slido, tambin conocido como desublimacin. El proceso inverso de la deposicin es la sublimacin.Un ejemplo de deposicin es el proceso por el cual, en aire sub-congelado, el vapor de agua cambia directamente a hielo sin convertirse primero en un lquido. As es como se forma la nieve en las nubes, as como la escarcha en el suelo.Otro ejemplo de deposicin fsica es el proceso artificial de deposicin fsica de vapor, usado para depositar pelculas delgadas de varios materiales sobre varias superficies.La deposicin libera energa y es un cambio de fase exotrmico- ESI es una tcnica "blanda", es decir, no se fragmenta la molcula a ionizar, permitiendo as que la especificidad y la sensibilidad qumica mayor. - ESI permite la ionizacin de vapores y partculas suspendidas en un gas. - ESI se pueden adaptar para la ionizacin de muchos tipos diferentes de molculas, mezclando un reactivo qumico con el lquido pulverizado. El spray crea iones de este reactivo.1.3.6. DIAGRAMA DE SANKEYEs una representacin grfica del sistema sobre calores aportados, ganados y perdidos.SISTEMA DE TRABAJO:

Fig. 4

1.3.7. CALOR SENSIBLE.- Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura. El calor sensible ocurre cuando no existen cambios de estado. Matemticamente, el calor sensible se calcula despejando el trmino Q de la ecuacin del calor especfico, es decir:

(ec. 2)

Es importante sealar, que en el caso de los gases la capacidad calorfica, deber buscarse en tablas, de acuerdo si el proceso ocurre a volumen constante o a presin constante. Igualmente en el clculo, se debe tomar en cuenta, que generalmente el valor de la capacidad calorfica, vara de acuerdo al estado en que se encuentre la sustancia, por ejemplo en el agua, es distinta la capacidad calorfica del hielo, que la capacidad calorfica del agua lquido, y mucho ms con relacin al vapor.1.3.8. CALOR LATENTECalor latente o calor de cambio de estado, es la energa absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de slido a lquido (calor latente de fusin) o de lquido a gaseoso (calor latente de vaporizacin). Al cambiar de gaseoso a lquido y de lquido a slido se devuelve la misma cantidad de energa. Latente en latn quiere decir escondido, y se llama as porque, al no cambiar la temperatura durante el cambio de estado, a pesar de aadir calor, ste se quedaba escondido. La ecuacin que permite calcular el calor latente es:

(ec.3)Donde la constante lamba puede ser:f para el calor latente de fusine para el calor latente de evaporacins para el calor latente de sublimacinCalor latente de algunas sustancias: El agua tiene calor latente de vaporizacin ms alto ya que, para romper los puentes de hidrgeno que enlazan las molculas, es necesario suministrar mucha energa.Calor latente de fusin: J/kg (80 cal/g). Calor latente de evaporizacin: 1.3.9. EFECTO JOULE

Varias propiedades de la materia cambian con la temperatura de un manera repetible y predecible, y esto establece un base para la medicin. La medicin de la temperatura es fundamental para la cuantificacin de los procesos termodinmicos.La medicin de la temperatura normalmente est en base de la evaluacin de la variacin de las propiedades fsicas de la substancia con la temperatura.El sistema estructurado para esta prctica es una materializacin progresiva del primer principio como fundamento de la termodinmica como la ciencia que estudia las transformaciones de la energa:

Energa Elctrica => Calor por efecto Joule Calor por efecto Joule => Proceso termodinmico + Calor perdido

Este efecto fue definido de la siguiente manera: La cantidad de energa calorfica producida por una corriente elctrica, depende directamente del cuadro de la intensidad de la corriente, del tiempo que esta circula por el conductor y de la resistencia que opone al mismo el paso de la corriente. Matemticamente se expresa como:

Q = V*I [W] (ec.4)

2. METODOLOGIALa experiencia de laboratorio se realiz en el laboratorio de mquinas trmicas de la carrera de ingeniera mecnica de la Facultad Nacional de Ingeniera en el horario establecido de 16:30 18:00 fecha 2 septiembre de la presente gestin.

2.1. EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Los equipos y materiales que usarn en el laboratorio son: Olla de 4 litros. Cocina elctrica. Barras de sujecin. Doble nueces. Termmetro de inmersin. Termmetro digital de inmersin. Pinza a perimtrica. Cronmetro Jarra plstica Balanza

2.6.1. FICHAS TECNICAS.A continuacin damos a conocer las fichas tcnicas de los equipos y materiales que se usaron:

Fig 5MATERIALDESCRIPCION

Nombre del instrumentoCocina Elctrica

Marca del instrumentoRangette.

IndustriaU.S.A.

ColorPlomo

Modelo 455

Potencia950 [Watts.]

Voltaje220 210 [V] AC

Fig 6MATERIALDESCRIPCION

NombrePinza A perimtrica

MarcaData Hold

IndustriaUSA

ColorNegro

Unidad A

Sensibilidad 0,1A

Incertidumbre 0,1A

AlcanceC - 20 a 1000 [A]

Fig 7.MATERIALDESCRIPCION

NombreCelular

Marca Sony

IndustriaChina

ColorNegro

Unidad [min], [seg]

Sensibilidad0.1[seg]

Incertidumbre 0.1 [seg]

NombreTermmetro de Inmersin

Fig.

Fig 8

Marca----------

Industria----------

ColorCarcasa color negro

UnidadC

Alcance-50-300C

Sensibilidad0.1C

Incertidumbre0.1C

NombreTermcupla de Inmersin

Fig. 9

MarcaTESTO

Industria------------

Color------------

UnidadC

Alcance-50-350C

Sensibilidad0.1C

Incertidumbre0.1C

NombreJarra plstica

Fig. 2.7Fig. 10

Marca------------

Industria------------

ColorTransparente

Unidad[Lt]

Alcance1 [Lt]

Sensibilidad0.001 [Lt]

Incertidumbre0.0005 [Lt]

2.7. MONTAJE DEL EQUIPO. PINZA AMPERIMETRICATERMOMETRO SUMERGIBLEJARRA CALIBRADA

TERMOCUPL DE INMERSIONCOCINA ELECTRICACRONOMETROOLLA

2.8. DESCRIPCIN DEL EXPERIMENTO.1. Se pes el hielo con ayuda de la balanza.2. Se realiz la medida de la temperatura del hielo.3. Se realiz el montaje del experimento como se muestra en el esquema.4. Se energiz la cocina, y se inicializ el cronometraje de la prueba de 3 en 3 minutos tomando en cuenta las lecturas de temperatura del agua. 5. Una vez llegado a la ebullicin del agua las lecturas se realizaron cada dos minutos6. A lo largo de la prueba se hizo la medicin de los parmetros elctricos de la cocina.7. Se midi el volumen sobrante 2.9. REGISTRO DE DATOSHora de inicio: 16:30 P. M.Voltaje: V = 228 0,1 [V]Intensidad inicial: I = 7.3 0,1 [A]Intensidad final: I = 7.4 0,1 [A]

NTIEMPOt [min]TEMPERATURAT [C]INTENSIDAD DE CORRIENTEI [A]

100.1 0.17.4 0.1

230.0 0.17.4 0.1

361.8 0.17.2 0.1

496.1 0.17.3 0.1

51213.2 0.17.3 0.1

61517.8 0.17.3 0.1

71824.7 0.17.3 0.1

819 min 25 s33.0 0.17.3 0.1

92140.1 0.17.3 0.1

102456.1 0.17.3 0.1

112770.6 0.17.3 0.1

123088.7 0.17.3 0.1

1332min 12 s88.7 0.17.3 0.1

143388.3 0.17.3 0.1

153588.3 0.17.3 0.1

163788.1 0.17.3 0.1

173988.1 0.17.3 0.1

184188.2 0.17.3 0.1

194388.1 0.17.4 0.1

204588.1 0.17.4 0.1

214788.2 0.17.4 0.1

Tabla 2

2.10. CALCULOS I. CONTRUCION DEL DIAGRAMA A ESCALA TEMPERATURA CALOR DE LOS PROCESO OBSERBADOS EN LABORATORIO(ver tambin anexo 1)

II. CALCULO DE LOS RENDIMIENTOS DEL SISTEMA

A. PROCESO DE FUSION

CALOR APORTADO POR LA COCINA EN EL PROCESO DE FUSION

Incertidumbre del calor aportado:

De la ecuacin (ec. 3) tenemos:

CALOR GANADO EN EL PROCESO DE FUSIN

Incertidumbre calor ganado por hielo es:

CALOR PERDIDO POR EL SISTEMA

Despejando :

Incertidumbre del calor perdido por el sistema:

RENDIMIENTO EN EL PROCESO DE FUSIN

B. PROCESO DE EBULLICION

CALOR APORTADO POR LA COCINA EN EL PROCESO DE EBULLICION

Incertidumbre del calor aportado:

CLCULO DEL CALOR GANADO EN EL PROCESO DE EBULLICION

Incertidumbre del calor ganado por el agua:

CALOR PERDIDO POR EL SISTEMA

RENDIMIENTO EN EL PROCESO DE EBULLICION

C. PROCESO DE VAPORIZACION

CALOR APORTADO POR LA COCINA EN EL PROCESO DE VAPORIZACION

Incertidumbre del calor aportado:

CLCULO DEL CALOR GANADO EN EL PROCESO VAPORIZACION

CALOR PERDIDO POR EL SISTEMA

RENDIMIENTO EN EL PROCESO DE EVAPORIZACION

III. DIAGRAMAS DE SANKEY

PROCESO DE FUSION

CALOR APORTAO 100%CALOR GANADO36.26%

CALOR PERDIDO63.73%

PROCESO DE EBULLICON

CALOR APORTAO 100%CALOR GANADO38.33%CALOR PERDIDO61.67 %

PROCESO DE EVAPORIZACION

CALOR APORTAO 100%CALOR GANADO53.53%CALOR PERDIDO46.47%

IV. DIAGRAMA DE MOILLER PARA EL AGUA GRAFICA DE LOS PROCESOS OBSERVADOS (ver anexo 2)

2.6. RESULTADOSDe la evaluacin energtica de los diferentes procesos como son Proceso de Fusin, Ebullicin y Evaporizacin de cambio de fase para el agua realizados para en el laboratorio tenemos:

ENERGIAProceso de FusinProceso de EbullicinProceso de Evaporizacin

Calor aportado [KJ]1939 271276 171478 20

Calor ganado [KJ]703 3489 2791 22

Calor perdido[KJ]1235 27787 17686 30

Rendimiento %36.2735.5553.53

3.DISCUSIN E INTEPRETACIN DE RESULTADOSEn la grfica temperatura vs tiempo podemos observar que el proceso no se a temperatura constante como se expone tericamente, por otro lado en el proceso de ebullicin se muestra una recta lo q indica la subida de temperatura y corresponde a los conocimientos adquiridos tericamente y as tambin para la evaporizacin se manifiesta un ligero cambios de temperatura la que podemos tomar como constante.En el clculo de los calores ganados por el agua en los procesos de fusin y evaporizacin son mayores en relacin al calor ganado por el agua en el proceso de ebullicin.El calor perdido tiene un valor ms significativo en el proceso de fusin. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.El proceso de fusin no se dio a temperatura ya que el foco de calor que en este caso era la cocina elctrica proporcionaba dicha energa calorfica en mayor parte a la parte de debajo de la olla la cual estaba en contacto directo con la hornilla de la cocina elctrica as el foco de calor no proporcionaba la energa calorfica de manera equitativa a toda la olla y los trozos de hielo que se encontraban en la parte superior no absorban el calor proporcionado por la hornilla por otro en una jarra pusimos otra porcin de hielo y esta vez el foco de calor seria en medio ambiente que envolva a toda la jarra y podemos ver evidentemente que el proceso de fusin se da a temperatura constante ya que esta mostro pequeas variaciones de temperatura prcticamente insignificante.Para un mejor entendimiento de los cambios de fase del agua tendramos que trabajar con un foco envolvente es decir que proporcione energa calorfica de forma equitativa a nuestro sistema.Las temperaturas para el cambio de fase del agua varan depende en el lugar en que nos encontremos as podemos decir q tambin depende de la altura y por ende de la presin a nivel de mar la temperatura de ebullicin es 100[C] mientras que en la ciudad de Oruro donde realizamos en experimento es de 88.7 [C] aproximadamente.5.BIBLIOGRAFA

Merle C. Potter, Termodinmica, Editorial Thompson, Mxico, 2006.

Madison Greene, Tipos de Termometros,www.buenastareas.com, Doolitle J. S., El Laboratorio del Ingeniero Mecnico, Edit. Hispano Americana, Buenos Aires, Argentina, 1971.

Fermi Enrico, Termodinmica, Editorial Universitaria, Buenos Aires, Argentina, 1968.

Enciclopedia Microsoft Encarta 2010. Microsoft Corporation. Extractado de Internet: http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml,

6. ANEXOS