UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERAS CARRERA DE INGENIERA MECNICA LABORATORIO DE TERMODINMICA

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERAS CARRERA DE INGENIERA MECNICA LABORATORIO DE TERMODINMICA

GUIA DE PRCTICA N 4

TEMA: Primera ley en sistemas cerrados.

1. OBJETIVO GENERAL

Realizar la prctica con el fin de analizar la primera ley en un sistema cerrado.

1.1. OBJETIVOS ESPECFICOS

Conocer los distintos materiales a usar en la prctica. Determinar las temperaturas y el calor sensible y latente absorbido por el agua utilizando diversos instrumentos (termmetros y termocuplas). Crear una hoja de proceso, con la secuencia de pasos lgicos y consecutivos hasta conseguir la prctica de laboratorio. Analizar los resultados obtenidos

2. MARCO TERICO

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos ltimos siglos. La teora del calrico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fros, haba ocupado un lugar destacado en la fsica desde la poca de los filsofos griegos.

Calor representa la cantidad de energa que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energa que se pone en juego en los fenmenos calorficos se denomina energa trmica. El carcter energtico del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecnico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversin, lo cual hace que slo una fraccin del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo til.La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termmetros, esto se refiere que para medir la temperatura utilizamos una de las magnitudes que sufre variaciones linealmente a medida que se altera la temperatura.

Mide la concentracin de energa y es aquella propiedad fsica que permite asegurar si dos o ms sistemas estn o no en equilibrio trmico (cuando dos cuerpos estn a la misma temperatura), esto quiere decir que la temperatura es la magnitud fsica que mide cuan caliente o cuan fro se encuentra un objeto.

Temperatura es el promedio de la energa cintica de las molculas de un cuerpo.

La relacin es que la temperatura mide la concentracin de energa o de velocidad promedio de las partculas y el calor como medio de energa trmica en trnsito.

Para una mejor explicacin de esta relacin lo mostraremos con un ejemplo: si ponemos un recipiente con agua representa la cantidad de calor que un cuerpo sede o absorbe en un instante dado, el nivel que esta alcanza representa su temperatura. Si la cantidad de agua, sube el nivel, esto es, si aumenta la cantidad de calor que posee el cuerpo, aumenta tambin su temperatura.

Otro ejemplo se nota cuando encendemos un fsforo, se logra una alta temperatura pero bajo contenido calrico.

La temperatura es independiente de la cantidad de sustancia, el calor en cambio depende de la masa, de la temperatura y del tipo de sustancia.

3. MATERIAL Y EQUIPO

Recipiente graduado para la recoleccin del lquido a calentar. Termmetro bimetlico. Termocupla. Depsito con una resistencia elctrica. Agua (4 y 5 litros). Cronometro, ampermetro. Olla de presin

4. PROCEDIMIENTO

SISTEMAS ABIERTOS A LA ATMSFERA

Para la ejecucin de esta prctica de laboratorio se toma como punto de partida el aumento de temperatura, al que va hacer expuesto el lquido.

1) Medir el volumen de agua que se va a calentar sea de 4 5 litros.2) Agregar el volumen de agua recolectado en el interior del depsito, en dnde; se realizar el cambio de temperatura del liquido.3) Conectar al sistema elctrico la termocupla y la resistencia elctrica.4) Prender la termocupla ON.5) Colocar los vstagos de la termocupla y termmetro bimetlico en el lugar indicado (asegrese que los vstagos topen el fluido a calentar).6) Prender la resistencia elctrica.7) Recolectar las temperaturas dadas y anotarlas en la hoja de datos.8) Anotar el tiempo y la temperatura a la que el lquido empez a hervir.9) Mezclar con agua fra e identificar la temperatura de mezcla.10) Apagar la resistencia elctrica.11) Desalojar el liquido caliente que se halla en el deposito (cercirese de recolectar el liquido caliente en el recipiente graduado).12) Observar el cambio de volumen despus de que se calent el lquido.13) Desconectar tanto la termocupla como la resistencia elctrica del sistema elctrico.

EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESIN

Para la ejecucin de esta prctica de laboratorio se toma como punto de partida el aumento de temperatura, al que va hacer expuesto el lquido.

1)Medir el volumen de agua que se va a calentar sea de 4 5 litros.2)Agregar el volumen de agua recolectado en el interior del depsito, en dnde; se realizar el calentamiento del lquido.3)Prender la cocina industrial y regular la potencia de calentamiento4)Colocar la tapa de la olla de presin y asegurarse de que este perfectamente cerrada.5)Prender la termocupla.6)Recolectar la temperatura y presin dadas, anotarlas en la hoja de datos.7)Anotar el tiempo y la temperatura a la que empez a desalojar vapor por la vlvula de presin.8)Anotar el tiempo y la temperatura a la que en que la vlvula este funcionando en su totalidad.9)Apagar la termocupla.10)Mojar la tapa de la olla de presin para lograr que se condense el vapor en el interior de la olla y as reducir la presin dentro de la misma.11)Observar el cambio de volumen despus de que se calent el lquido.12) Apagar la cocineta y asegurarse de que no escape el combustible (GLP)

HOJA DE DATOS

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANAFACULTAD DE INGENIERASESCUELA DE MECNICALABORATORIO DE TERMODINMICATEMA: CALOR Y TEMPERATURA

Liquido: AGUAVolumen inicial : 4 LITROSVolumen final:Masa:

Tiempo (min)Temperatura (C)Mezcla

TermocuplaTermmetro bimetlicoTermmetro de mercurio

Temperatura1

Temperatura2

Temperatura3

Volumen 1

Volumen 2

Volumen 3

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANAFACULTAD DE INGENIERASESCUELA DE MECNICALABORATORIO DE TERMODINMICATEMA: CALOR Y TEMPERATURA

Liquido: AGUAVolumen inicial : 5 LITROSVolumen final:Masa:

Tiempo (min)Temperatura (C)Mezcla

TermocuplaTermmetro bimetlicoTermmetro de mercurio

Temperatura 1

Temperatura 2

Volumen 1

Volumen 2

Volumen 3

Temperatura 3

HOJA DE DATOS OLLA DE PRESION

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANAFACULTAD DE INGENIERASESCUELA DE MECNICALABORATORIO DE TERMODINMICATEMA: CALOR SENSIBLE EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESION

Liquido: AguaVolumen: 4 LitrosMasa inicial: 4 Kilogramos

Tiempo(min)Presin(KPa)Temperatura(C)Calor(KJ/Kg)

1023

2030

3038

4044

5050

6058

7064

8072

9080

102.588

11598

126100

137102

148.5105

159.5107

1610.5108

Liquido: AguaVolumen: 5 LitrosMasa inicial: 5 Kilogramos

Tiempo(min)Presin(KPa)Temperatura(C)Calor(KJ7Kg)

1710.5109

1810.5109

1910.5109

2010.5109

5. INFORME

5.1. Flujograma de procedimiento realizado durante las prcticas5.2 Anlisis de resultados

Calcular la temperatura final de la mezcla. Determinar la potencia de la resistencia elctrica que fue utilizada. Realizar la curva calor vs temperatura. Realizar la curva volumen especifico vs temperatura. Realizar la curva presin vs volumen especfico. Analizar los resultados obtenidos.5.3. Cuestionario y problemas

Qu es temperatura y sus escalas.La temperatura es el nivel de calor en un gas, lquido, o slido. Tres escalas sirven comnmente para medir la temperatura. Las escalas de Celsius y de Fahrenheit son las ms comunes. La escala de Kelvin es primordialmente usada en experimentos cientficos.Escala CelsiusEsta escala divide el rango entre las temperaturas de congelacin y de ebullicin del agua en 100 partes iguales. Usted encontrar a veces esta escala identificada como escala centgrada. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (C).Escala FahrenheitEsta escala divide la diferencia entre los puntos de fusin y de ebullicin del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (F).Escala de KelvinProlonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipottica caracterizada por una ausencia completa de energa calrica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvins (K).

Qu es calor sensible y calor latente en una sustancia pura? Grficos P-v y T-vCalor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.Calor latente de una sustancia pura 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.Diagrama P-v

Diagrama T-v

Qu es termmetro, clasificacin termmetros industriales y sus aplicaciones?Instrumento que sirve para medir la temperatura; el ms habitual consiste en un tubo capilar de vidrio cerrado y terminado en un pequeo depsito que contiene una cierta cantidad de mercurio o alcohol, el cual se dilata al aumentar la temperatura o se contrae al disminuir y cuyas variaciones de volumen se leen en una escala graduada.Tipos de TermmetrosEn fsica se utilizan varios tipos de termmetros, segn el margen de temperaturas a estudiar o la precisin exigida. Como ya hemos sealado, todos se basan en una propiedad termomtrica de alguna sustancia: que cambie continuamente con la temperatura (como la longitud de una columna de lquido o la presin de un volumen constante de gas).Termmetros de lquidoLos termmetros de lquido encerrado en vidrio son, ciertamente, los ms familiares: el de mercurio se emplea mucho para tomar la temperatura de las personas, y, para medir la de interiores, suelen emplearse los de alcohol coloreado en tubo de vidrio.Termmetros de gasEl termmetro de gas de volumen constante es muy exacto, y tiene un margen de aplicacin extraordinario: desde -27 C hasta 1477 C. Pero es ms complicado, por lo que se utiliza ms bien como un instrumento normativo para la graduacin de otros termmetros.La altura de la columna de mercurio indica la presin del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.Termmetros de resistencia de platinoEl termmetro de resistencia de platino depende de la variacin de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre de platino. Es el termmetro ms preciso dentro de la gama de -259 C a 631 C, y se puede emplear para medir temperaturas hasta de 1127 C. Pero reacciona despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad trmica y baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas fijas.Par trmicoUn par trmico (o pila termoelctrica) consta de dos cables de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que vara con la temperatura de la conexin. Se emplean diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -248 C hasta 1477 C. El par trmico es el termmetro ms preciso en la gama de -631 C a 1064 C y, como es muy pequeo, puede responder rpidamente a los cambios de temperatura. Explique como influye la presin atmosfrica en el punto de ebullicin del agua.El punto de ebullicin se define como la temperatura a la cual la presin de vapor saturado de un lquido, es igual a la presin atmosfrica de su entorno. Para el agua, la presin de vapor alcanza a la presin atmosfrica al nivel del mar a la presin de 760 mmHg a 100C. Puesto que la presin de vapor aumenta con la temperatura, se sigue que para una presin mayor de 760 mmHg (por ejemplo, en una olla a presin), el punto de ebullicin est por encima de los 100C y para una presin menor de 760 mmHg. Calcular el calor el calor sensible y calor latente con los datos obtenidos utilizando la tabla termodinmica y las temperaturas.

Qu es calor latente de fusin y de evaporizacin? Cules son los valores para el agua y como se utiliza?Calor latente de fusin.-se llama "calor de fusin", la energa necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia en estado slido, a estado lquido, sin cambiar su temperatura. Esta energa rompe los enlaces de slidos, y queda una significativa cantidad, asociada con las fuerzas intermoleculares del estado lquido.Calor latente de evaporizacin.- se llama "calor de vaporizacin", la energa necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia en estado lquida, al estado gaseoso en el punto de ebullicin. Esta energa rompe las fuerzas atractivas intermoleculares y tambin debe proveer la energa necesaria para expandir el gas (el trabajo PV ).Calor latente del Agua: de fusin: 334,4kJ/kg (79,9 kcal/kg) a 0 C;Calor latente de evaporacin: 2257 kJ/kg (539 kcal/kg) a 100 C.

1. Se hierve agua a nivel del mar en una olla de acero inoxidable de 30 cm de dimetro colocada sobre una parrilla elctrica de 3KW. Si 60% del calor generado por la parrilla se transfiere al agua durante la ebullicin, determine la tasa de evaporacin del agua.2. Repita el problema 1 para un lugar situado a una altura de 1500m donde la presin atmosfrica es de 84.5 KPa y, por lo tanto, la temperatura de ebullicin es de 95 0C.

3. Se hierve agua a una atmosfera de presin en una vasija de acero inoxidable cuyo interior mide 25cm de dimetro y que est sobre una estufa elctrica. Si se observa que el nivel de agua de la vasija disminuye 10cm en 45min. Determine la velocidad de transferencia de calor a la vasija.

4. Retome el problema 3 y considere que la vasija se halla en un sitio a una altura de 2000m, donde la presin atmosfrica estndar es de 79.5 KPa.

5. En cierto lugar mediante una parrilla elctrica de 2 KW se suministra calor para hervir el agua contenida en una olla provista con una tapa mal ajustada. La cantidad de agua en la olla disminuye 1.19 Kg en 30 minutos. Si se estima que el 75% de electricidad que consume la parrilla se transfiere al agua como calor, determine la presin atmosfrica en ese lugar.

6. Se hierve agua a 1 atm de presin en una cafetera equipada con un elemento de calentamiento elctrico que funciona por inmersin. Al comienzo, la cafetera contiene 1 Kg de agua, pero una vez empieza la ebullicin la mitad del agua se evapora en 18 minutos. Si la prdida de calor en la cafetera es insignificante, determinar la potencia nominal del elemento de calentamiento.

7. Una vasija de acero inoxidable hierve agua a 1 atm de presin, despus se observa que 2 Kg de agua lquida se evaporan en 30 min. Determinar la tasa de transferencia de calor.

8. A nivel del mar se hierve agua en un recipiente que se halla sobre una estufa. Durante 10 min de ebullicin se evaporan 200 gramos de agua, determinar la tasa de transferencia de calor hacia el agua.

9. Una cafetera equipada con un elemento de calefaccin elctrica por inmersin hierve agua a nivel del mar. La cafetera contiene 1 L de agua cuando est llena. Una vez que comienza la ebullicin, se observa que la mitad del agua se evapora en 25 minutos. Determine la potencia nominal del elemento elctrico sumergido en el agua y cuanto tiempo tarda este calentador en elevar la temperatura de 1L de agua fra desde 18 0C hasta la temperatura de ebullicin.

10. En un vaso se tiene agua con una masa de 0.45 Kg a 20 0C y se enfriar hasta 0 0C aadindose cubos de hielo a 0 0C. El calor latente de fusin del hielo es 334 KJ/Kg, mientras que el especifico del agua es 4.18 KJ/Kg0C. determinar la cantidad de hielo que se debe agregar para lograr este fin.

11. Un calentador de resistencia elctrica de 2 KW sumergido en 5 Kg de agua se enciende y se mantiene as durante 10 minutos. Durante el proceso, del agua se pierden 300 KJ de calor. Determinar el aumento de temperatura del agua.

CUESTIONARIO OLLA DE PRESIN

Qu es una olla de presin?La olla a presin es un recipiente hermtico para cocinar que puede alcanzar presiones ms altas que la atmosfrica. Debido a que el punto de ebullicin del agua aumenta cuando se incrementa la presin, la presin dentro de la olla permite subir la temperatura de ebullicin por encima de 100C (212F), en concreto hasta unos 130C. Cules son las partes de la olla de presin?

Diferencia entre olla de presin y marmita.La marmita u olla de presin, es como un recipiente metlico hermtico, con tapa atornillada, en el que la presin interna del vapor, contribuye eficientemente a la coccin de los alimentos con rapidez. La olla de presin u olla express, no permite la salida de aire o lquido por debajo de una presin establecida. Debido a que el punto de ebullicin del agua aumenta al incrementarse la presin, la temperatura en la olla sube por encima de los 100C, lo que hace que los alimentos se cocinen ms rpidamente. Qu es vapor saturado, Qu es vapor sobrecalentado?El vapor saturado.- vapor saturado es, en contraste con vapor sobrecalentado, vapor que est en equilibrio con agua calentada a la misma presin, es decir, que no se ha calentado ms all del punto de ebullicin para que la presin.El vapor sobrecalentado.- es vapor de agua a una temperatura que es superior a su punto de vaporizacin a la presin absoluta en la que se toma la medicin de la temperatura, y por lo tanto, el vapor de agua puede enfriar por una cierta cantidad, lo que resulta en una disminucin de su temperatura sin cambiar el estado de un gas, a una mezcla de vapor saturado y lquido. Si el vapor saturado se calienta a presin constante, su temperatura se mantendr constante a medida que la calidad de vapor aumenta hacia el 100%, y se convierte en vapor de agua saturado seco.

Cul es el funcionamiento de la olla de presin?

Este dispositivo basa su funcionamiento en el hecho de que la temperatura de ebullicin de un lquido depender de la presin a que est sometido, de forma tal que a mas presin mayor temperatura.Utilicemos el esquema siguiente para ilustrar.El esquema representa un recipiente cerrado tal y como es la olla de presin con su tapa ajustada, al que se le aplica calor y que contiene agua (azul). Las pequeas bolitas azules representan las burbujas de vapor que abandonan el lquido y pasan al estado de vapor durante el calentamiento.

Estos vapores como estn confinados y no pueden escapar, van gradualmente incrementando la presin dentro de la olla, y con ello la presin de vapor saturado del agua, por lo que esta no podr entrar en ebullicin. Aplicaciones de la olla de presinLa olla de presin tiene muchos usos, sin embargo la mas comn es cocinar algn producto en un menor tiempo de lo que tardara si se cuece en algn otro recipiente. esto es debido a que al no tener una salida para los vapores, existe un aumento de presin en el interior de la olla, lo cual genera mas calor. En laboratorio y en industria, la esterilizacin hmeda (matar grmenes). En estos casos, se conoce conocen como autoclaves. Cul es la presin en la ciudad de Quito?Los vientos enQuitoson relativamente levesy la humedad relativaest entre67 y 80%.El promedio dela presin atmosfrica es546,44mmHg,la presines muy baja, perosedebe recordar queQuitose encuentra en los"Andes",por lo tanto es recomendable tomar precaucionescontra elmal de altura. Aplicaciones de calor sensible y calor latenteAPLICACIONES:1. Una de las principales aplicaciones del calor especfico es averiguar que es cierto material, midiendo su calor especfico y comparndolo con los de las tablas preestablecidas. (como el proceso realizado en el laboratorio)2. Diseo de materiales de la vida cotidiana como por ejemplo un termo, aislantes para casas entre otros, para poder desarrollarlos es necesario conocer los fundamentos del calor especifico.3. fabricacin de un termo en donde se guardan distintos lquidos como el caf,4. la fabricacin de materiales trmicos para aislar la temperatura de un horno por su transmisin de calor.5. En fisicoqumica, destilacin, balance de materia y energa, generadores de vapor, evaporacin, todas las operaciones unitarias y procesos de separacin.6. Se pretende identificar el metal del que est formada una medalla. Para ello se determina su masa mediante una balanza que arroja el valor de 25 g. A continuacin se calienta al bao Mara,

Por qu los lagos se congelan primero en su superficie?Porque se congelan justamente cuando la temperatura de ambiente es mucho menor a la del lago mismo. Es decir, no se congelan solos, tiene que ver con la temperatura de su entorno.

Obviamente, la parte que est en contacto directo con el exterior, es la primera en ser penetrada por el fro, y por ende, se congelan desde la superficie hacia el fondo, pero es un proceso paulatino, no ocurre todo de golpe.

Preguntas:

Calcular el calor. Determinar el calor utilizando las tablas termodinmicas. Realizar la curva calor vs temperatura. Realizar la curva temperatura vs volumen especfico (sistemas abiertos-abiertos) Realizar la curva temperatura vs presin (sistemas abiertos-cerrados) Realizar la curva calor vs presin (sistemas abiertos-cerrados) Realizar la curva calor vs tiempo Con la prctica se realizar el estudiante resolver todas sus dudas acerca de la temperatura y la presin a la que el agua hierve dentro de una olla de presin en la ciudad de Quito. Al momento de realizar la prctica en el laboratorio el estudiante va a conocer diferentes aparatos para la medicin de la temperatura y presin. En el instante en que la prctica se est llevando a cabo el estudiante se podr dar cuenta; cuando la olla de presin por medio de su vlvula reguladora empieza a desalojar vapor de agua.

EJERCICIOS DE SISTEMAS CERRADOS A PRESIN

12. De una olla de presin, cuya presin de operacin es de 30 psia, sale vapor. Se observa que la cantidad de lquido en la olla de presin disminuyo en 0.4 gal durante 45 minutos despus de impuestas las condiciones estables de operacin. El rea de seccin transversal de la abertura de salida es de 0.15 pulg2. Determine:

a. El flujo msico del vapor y la velocidad de salida,b. Las energas total y de flujo del vapor por unidad de masa,c. La tasa a la que la energa sale de la olla con el vapor.13. Cierta olla de presin tiene un volumen de 6 L y una presin de operacin de KPa manomtricos. Al inicio contiene 1Kg de agua, y se le suministra calor a una tasa de 500 W durante 30 minutos despus de alcanzar la presin de operacin. Suponiendo una presin atmosfrica de 100 KPa. Determine:

a) La temperatura que se lleva acabo la coccinb) La cantidad de agua que queda en la olla de presin al final del proceso.

6.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

7.- ANEXOS (Planos, hoja de datos, catlogos, fotos, etc)

8.- BIBLIOGRAFA.

NOTA.- El informe entregar de acuerdo con las normas APA y el instructivo para la realizacin de tesis.

Revisar en: www.trabajosdegradoups.wordpress.com

Pgina 22