UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA DEL ECUADORSEDE QUITO CAMPUS KENNEDYCARRERA DE INGENIERA MECNICA

INFORME LABORATORIO DE TERMODINMICA

TEMA: PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA EN SISTEMAS CERRADOS

DOCENTE: ING. WASHINGTON SALVATORE REINA GUZMN

Quito, 4 de Agosto del 2014

ContenidoOBJETIVOS3OBJETIVOS GENERALES3OBJETIVOS ESPECFICOS3MARCO TERICO4MATERIAL Y EQUIPO7PROCEDIMIENTO7SISTEMAS ABIERTOS A LA ATMSFERA7EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESIN8HOJA DE DATOS9HOJA DE DATOS OLLA DE PRESIN11INFORME13Flujograma de procedimiento realizado durante las prcticas13Anlisis de resultados13Cuestionario y problemas13CUESTIONARIO OLLA DE PRESIN19Preguntas:20EJERCICIOS DE SISTEMAS CERRADOS A PRESIN20CONCLUSIONES21RECOMENDACIONES.21ANEXOS (Planos, hoja de datos, catlogos, fotos, etc)21BIBLIOGRAFA.21

OBJETIVOSOBJETIVOS GENERALES Realizar prcticas de laboratorio con la finalidad de estudiar los sistemas cerrados en termodinmica. Observar los cambios producidos en funcin del tiempo en las fases de nuestra prctica para poder obtener conclusiones importantes.OBJETIVOS ESPECFICOS Familiarizarnos con los instrumentos y materiales a emplearse en la prctica. Realizar clculos de inters como el calor sensible y latente absorbido por el agua en funcin del tiempo. Establecer una metodologa para realizar esta prctica de manera ordenada, participativa y eficiente. Interpretar correctamente los datos obtenidos mediante los instrumentos empleados.

MARCO TERICOCALOR es la transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos en virtud de una diferencia detemperatura, el calor es energa en trnsito.

TEMPERATURA es unapropiedadde lossistemasque determinan si estn enequilibriotrmico esteconceptode temperatura se deriva de la idea de medir calor o fro.

DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA la diferencia es que la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energa entre dos cuerpos y diferentes temperaturas, el calor es energa residual presente en todas las formas de energa en trnsito el calor es lo que hace que la temperatura aumenta o disminuya. si aadimos calor la temperatura aumenta y si quitamos calor la temperatura disminuye.

Escalas con que se mide el calor

CELSIUS establecida en 1729 por el bilogo sueco anders celsius, se llama centigrada porque hay 100 divisiones entre sus dos puntos extremos, uno de ellos es 0c "punto de congelacin delaguay nivel del mar", y el otro extremo es 100c "punto de ebullicin del agua, a nivel del mar".FAHRENHEIT establecida por Gabriel Daniel Fahrenheit quien en 1742 construyo el primertermmetro laescalaFahrenheit se emplea en los pases anglosajones para medidas no cientficas y en ella el punto de congelacin del agua se define como 32f y su punto de ebullicin como 212f.KELVIN escalatermodinmicade temperaturas ms empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15C la magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por k, se define como igual a un grado Celsius fue establecida por convenio internacional, es la unidad de temperatura dlsistemainternacional de unidades inventada por el matemtico y fsico britnico William Thompson lora kelvin en esta escala el cero es la temperatura a la cual cesa la actividad cintica molecular y la temperatura ms pequea que se puede medir.

Punto de ebullicin, la definicin formal depunto de ebullicines aquellatemperaturaen 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 ley de los gases ideales es la apariencia negativa de un gas hipottico formado por partculas puntuales, sin atraccin ni repulsin entre ellas y cuyos choques son perfectamente elsticos (conservacin de momento y energa cintica). La energa cintica es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que ms se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatmicos en condiciones de baja presin y alta temperatura.Elestadode una cantidad degasse determina por su presin, volumen y temperatura. La forma moderna de la ecuacin relaciona estos simplemente en dos formas principales. La temperatura utilizada en la ecuacin de estado es una temperatura absoluta: en el sistema SI de unidades,kelvin, en el sistema imperial, gradosRankine.Forma comnLaecuacinque describe normalmente la relacin entre la presin, el volumen, la temperatura y la cantidad (enmoles) de un gas ideal es:

Donde:,Presin absoluta ,Volumen ,Molesdegas ,Constante universal de los gases ideales ,Temperatura absoluta

Teora cintica molecularEsta teora fue desarrollada porLudwig BoltzmannyMaxwell. Nos indica las propiedades de un gasideala nivel molecular. Todo gas ideal est formado porNpequeas partculas puntuales (tomos o molculas). Las molculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada. Un gas ideal ejerce una presin continua sobre las paredes del recipiente que lo contiene, debido a los choques de las partculas con las paredes de este. Los choques moleculares son perfectamente elsticos. No hay prdida de energa cintica. No se tienen en cuenta las interacciones de atraccin y repulsin molecular. Laenerga cinticamedia de la translacin de una molcula es directamente proporcional a latemperatura absolutadel gas.En estas circunstancias, la ecuacin de los gases se encuentra tericamente:

Dondees laconstante de Boltzmann, donde N es el nmero de partculas.Laentalpa(simbolizada generalmente comoH, tambin llamadacontenido de calor, y calculada enJuliosen el sistema internacional de unidades o tambin enkcalo, si no, dentro del sistema anglo:BTU), es unafuncin de estadoextensiva, que se define como latransformada de Legendrede laenerga internacon respecto delvolumen.DerivacinEl principio de estado establece que la ecuacin fundamental de un sistema termodinmico puede expresarse, en su representacin energtica, como:

Donde S es la entropa, V el volumen yla composicin qumica del sistema.Para aquellos casos en los que se desee, sin perder informacin sobre el sistema, expresar la ecuacin fundamental en trminos de la entropa, la composicin y lapresinen vez del volumen, se aplica la siguiente transformada de Legendre a la ecuacin fundamental:

Y como

Es la presin del sistema, se define la entalpa como:

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. Hornilla Termmetro manual. Manmetro Cronmetro

PROCEDIMIENTO

SISTEMAS ABIERTOS A LA ATMSFERA

El procedimiento de la prctica se basa en la medicin constante de temperatura de un lquido, en nuestro caso el Agua, que se encuentra expuesta a la atmosfera a medida que se aade a calor al sistema. Detallando los pasos a seguir son los siguientes:

1) En un recipiente medir la cantidad de 5 litros de agua.2) Vaciar en el depsito donde se encuentra la resistencia elctrica, el volumen total del lquido.3) Preparar la termocupla para suministrar energa al sistema.4) Encender la termocupla para al tiempo en que inicia el cambio de temperatura en el sistema.5) Colocar los instrumentos de medida n contacto con un lquido para monitorear el proceso.6) Encender la resistencia elctrica ubicada en el depsito.7) Monitorear la variacin de temperatura en intervalos de un minuto.8) Elaborar una tabla de los datos obtenidos hasta el momento de la ebullicin. 9) Documentar los valores en el momento que el agua empieza a hervir.10) Recolectar 2 litros de agua a temperatura ambiente.11) Apagar la resistencia elctrica.12) Realizar una mezcla en el depsito entre los 5 litros de agua caliente y los 2 litros de agua a temperatura ambiente.13) Documentar los valores de temperatura obtenidos luego de realizar la mezcla.14) Evacuar el lquidos del depsito, la totalidad de la mezcla15) Apagar los instrumentos utilizados.

EN SISTEMAS ABIERTOS A PRESIN

En esta prctica el incremento de temperatura se va a ejercer en un lquido que se encuentra en un recipiente cerrado conocido como olla de presin. La cual lleva instalado un manmetro que nos permitir obtener datos sobre la presin, y posterior a ello se verificar la temperatura.

1) Recolectar una cantidad de 5 litros de agua en un recipiente.2) Vaciar el volumen en la olla de presin donde se realizara el aporte de calor.3) Cerrar el sistema mediante la tapa de la olla, con sus respectivas seguridades.4) Encender la hornilla de funcionamiento a gas para elevar la temperatura.5) Encender la termocupla.6) Observar el proceso y los datos obtenidos en intervalos de 1 minuto.7) Observar el sistema hasta que existe una salida de vapor mediante el escape de la tapa.8) Documentar los valores obtenidos en el instante del escape de vapor de agua.9) Liberar la totalidad del vapor.10) Exponer la olla al agua para condensar el vapor en ella almacenado.11) Libera el sistema retirando la tapa de la olla.12) Apreciar brevemente el cambio de volumen producido.13) Verificar la temperatura obtenida sin la ebullicin del lquido.14) Apagar los instrumentos utilizados en la prctica.

HOJA DE DATOS

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANAFACULTAD DE INGENIERASESCUELA DE MECNICALABORATORIO DE TERMODINMICATEMA: CALOR Y TEMPERATURALiquido: AGUAVolumen inicial: 4 LITROS

Dnde:: Calor transferidoCp: Calor especifico: Diferencial de temperaturaMASA (kg)5

TEMPERATURA

TIEMPO (m)TERMOCUPLATERMMETRO DE MERCURIOPROMEDIOCP (TABLAS)Q (Kj)

12337304,17826333,10665

2254836,54,17836469,05298

3295642,541,17964990,7568

43464494,1816734,54575

5436855,54,1836873,71475

65375644,1877058,23525

77082764,1947321,6755

88185834,1997477,36925

Comparacin de entalpias

Como se puede observar los valores obtenidos son aproximadamente iguales teniendo en cuenta que se producen errores al momento de obtener los datos experimentales.

HOJA DE DATOS OLLA DE PRESIN

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(KJ7Kg)

Liquido: AguaVolumen: 5 LitrosMasa inicial: 5 Kilogramos

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

INFORME

Flujograma de procedimiento realizado durante las prcticasAnlisis 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. Cuestionario y problemas Qu es temperatura y sus escalas. Qu es calor sensible y calor latente en una sustancia pura? Grficos P-v y T-v Qu es termmetro, clasificacin termmetros industriales y sus aplicaciones? Explique cmo influye la presin atmosfrica en el punto de ebullicin del agua. 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?

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.

kpa

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.

Patm=1atm

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 cunto 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? Cules son las partes de la olla de presin? Diferencia entre olla de presin y marmita Qu es vapor saturado, Qu es vapor sobrecalentado? Cul es el funcionamiento de la olla de presin? Aplicaciones de la olla de presin Cul es la presin en la ciudad de Quito? Aplicaciones de calor sensible y calor latente Por qu los lagos se congelan primero en su superficie?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 a cabo la coccinb) La cantidad de agua que queda en la olla de presin al final del proceso.

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES.

ANEXOS (Planos, hoja de datos, catlogos, fotos, etc)

BIBLIOGRAFA.