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LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA2020 -BUNIVERSIDAD NACIONAL SANAGUSTINFACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOSESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICACURSO:TERMODINAMICATEMA:INFORME DE LABORATORIO N°DOCENTE:HUGO JIMENEZ PACHECOALUMNO:CONDORI FLORES JORDAN####### AREQUIPA-PERU####### 2021LABORATORIO ...

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EPIQ 2020-B

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

CURSO: TERMODINAMICA

TEMA: INFORME DE LABORATORIO N°1 DOCENTE: HUGO JIMENEZ PACHECO ALUMNO: CONDORI FLORES JORDAN

AREQUIPA-PERU 2021

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LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA

PRACTICA 1 TEMPERATURA Y EQULIBRIO TERMICO 1. OBJETIVO: Comprender el fundamento termodinámico del equilibrio térmico 2. FUNDAMENTO 2.1 Temperatura: es la propiedad que establece cuando dos o más sistemas que interaccionan entre sí, se encuentra en un estado térmico de equilibrio. 2.2 Equilibrio térmico: es cuando dos sistemas, uno a mayor temperatura que el otro, se ponen en contacto; el sistema de mayor temperatura, al transcurrir el tiempo, su temperatura disminuye y el sistema que inicialmente tenía baja temperatura, aumenta, de tal manera que la diferencia de temperaturas disminuirá. Si ambos sistemas se encontraran aislados del entorno y únicamente se presenta la interacción entre ellos, la diferencia en el valor de sus propiedades disminuirá de tal manera que ambos lleguen a las mismas condiciones y, por tanto, a la misma temperatura, en este momento los sistemas se encuentran en equilibrio térmico. 2.3 Ley cero de la Termodinámica: Esta ley establece que, si un sistema A se encuentra en equilibrio térmico con un sistema B y, si a su vez, el sistema B se encuentra en equilibrio con un sistema C, forzosamente, los tres sistemas se encuentran en equilibrio térmico entre sí. 2.4 Termómetros: Para conocer la temperatura de un sistema termodinámico se utilizan los instrumentos conocidos como termómetros y cada uno de éstos tiene su principio de operación, entre los cuales se encuentran los siguientes: • • • • •

Termómetro de bulbo con mercurio o inmersión Termómetro bimetálico Termopar: video de ayuda Termómetro de gas a presión constante Termómetro infrarrojo

Existen diferentes propiedades de las sustancias que se encuentran asociadas a la propiedad termodinámica llamada temperatura, como son: longitud, volumen, resistividad eléctrica, etc., esto significa que al modificar alguna sustancia su temperatura, modificará también las propiedades mencionadas. Bajo este principio es como operan los termómetros. 3. PROCEDIMIENTO a) Entrar al link: https://labovirtual.blogspot.com/2012/06/equilibrio-termico.html b) Fijar las condiciones de un recipiente (T y V), y cambiar la temperatura del otro recipiente, registrar la temperatura de mezcla. c) Fijar las condiciones de un recipiente (T y V), y cambiar el volumen del otro recipiente, registrar la temperatura de mezcla.

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d) Calcular la temperatura de mezcla para los ítems b) y c) utilizando las siguientes ecuaciones:

𝑄 = 𝑚 × 𝐶𝑝 × (∆𝑇) 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑚 ∗ 𝑐𝑒 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) = −𝑚′ ∗ 𝑐𝑒 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ′) Como las masas son iguales y el calor especifico (ce) es el mismo, tenemos: 𝑇𝑓 + 𝑇𝑖 = −(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ′) 𝑇𝑓 =

(𝑇𝑖 ′ − 𝑇𝑖 ) 2

e) Llenar la tabla con las siguientes informaciones: A volumen constante Experimento

Ti

Ti’

Tf simulación

1 2 3 4 5

10 25 30 20 15

85 90 87 66 75

47.5 57.5 59 42.5 45

Tf teórica (𝑇𝑖 + 𝑇𝑖 ′ ) 𝑇𝑓 = 2 47.5 57.5 58.5 43 45

A temperatura constante

Experimento

Vi

Vi’

Tf simulación

1 2 3 4 5

20 25 30 55 60

40 70 51 40 70

49 61 52 30 70

Tf teórica (𝑇𝑖 + 𝑇𝑖 ′ ) 𝑇𝑓 = 2 49 61 52 30 70

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS -

Calcule el error entre los resultados por simulación y los teóricos y comente.

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A VOLUMEN CONSTANTE se puede apreciar que en los resultados obtenidos en la simulación como en el valor teórico se ve un valor de error en el experimento 3,4 la causa es por la mal registro al momento de poner los datos en la simulación saliendo un error de 0.5 EXPERIMENTO 1 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |47.5 − 47.5| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 EXPERIMENTO 2 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |57.5 − 57.5| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 EXPERIMENTO 3 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |58.5 − 59| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.5 EXPERIMENTO 4 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |43 − 42.5| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.5 EXPERIMENTO5 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |45 − 45| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 TEMPERATURA CONSTANTE EXPERIMENTO 1 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |49 − 49| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 EXPERIMENTO 2 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |61 − 61| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 EXPERIMENTO 3 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |52 − 52| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 EXPERIMENTO 4 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |30 − 30| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 EXPERIMENTO5 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |70 − 70| 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0 Analice el efecto de la temperatura en la temperatura de mezcla Dos cuerpos en contacto con diferentes temperaturas intercambian energía a medida que el tiempo transcurre. Y así, el punto de equilibrio térmico se alcanza cuando la energía cinética de ambos cuerpos se iguala, de manera que ambos cuerpos pasan a operar como un sistema termodinámico único, dotado de una misma cantidad de energía interna y, por ende, de temperatura.

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Analice el efecto del volumen en la temperatura de mezcla sí modificamos el volumen también modificamos la presión y por tanto el sistema también deja de estar en equilibrio. Para modificar la presión de un sistema podemos introducir un gas inerte a volumen constante (lo cual no varía el equilibrio químico porque no varía las presiones parciales de los compuestos que intervienen en el mismo) o podemos variar al volumen del recipiente.

5. CUESTIONARIO a) Mencione cinco propiedades de las sustancias que se utilizan para medir la temperatura • Densidad • Volumen • Masa • Presión • Cambio de potencial eléctrico b) Explique las ventajas y desventajas de los termómetros de bulbo con mercurio o de inmersión, termopar, bimetálico, infraRrojo, de gas a presión constante. TERMOMETRO

VENTAJAS

DESVENTAJAS

BULBO CON MERCURIO

-fácil lectura de medición -exacto para medición a ciertas escalas, mayormente pequeñas Uso convencional en laboratorios. -son de precios accesibles.

-medición de temperaturas entre - 39°C – 375°C -peligro latente debido a la toxicidad del mercurio -presenta fragilidad y no soporta cambios bruscos en la temperatura

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TERMOPAR

-Son económicos -pueden ser operados en un gran rango de temperaturas, presencia de diversos tipos de termopares conocidos como: E, S, T, J, K, B y R la composición indica la composición química de los materiales

La conexión del termopar crea una unión termoeléctrica, que se conoce como unión en frío y el voltaje medido incluye tanto el voltaje del termopar como el voltaje de la unión. Para compensar este problema se puede usar un sensor adicional, como un termistor o uno de circuito integrado. Otra desventaja es su voltaje de salida, algunos varían entre 7 y 50uV por cada grado Centígrado, lo que los hace muy sensibles a los efectos del ruido eléctrico.

BIMETÁLICO

Menor fragilidad por quiebre que los de cristal fáciles de leer. Simples y de bajo costo. Permiten ser colocados en diferentes posiciones

Su precisión no es tan buena como la de los sensores de tubo de vidrio. Los termómetros bimetálicos están fabricados en acero inoxidable con caratulas de visualización amplias

que permiten la lectura con facilidad y precisión. Dependiendo del proceso a instrumentar, se fabrican con vástagos de diferentes longitudes, las cuales varían en múltiplos de 3 pulgadas, hasta llegar a 12”, es decir, 3”, 6”, 9” y 12”. Mayores longitudes del vástago también son comunes, aunque la fabricación de mismos no es en serie, razón por la cual los tiempos de entrega son mayores.

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INFRARROJO

cabe destacar que este aparato aporta gran fiabilidad y rapidez a la hora de medir la temperatura, además de ser muy fácil de usar. Además, con el termómetro láser no es necesario acercarse al objeto para medir la temperatura, pues permite la medición a distancia gracias a los infrarrojos.

Por otra parte, presenta una serie de desventajas entre las que prima, principalmente, el precio elevado del aparato. Es conveniente decir que la medición no se puede realizar en presencia de líquidos y vapores, ya que altera la medición, además de ser conflictivo a la hora de dirigirse hacia el punto exacto donde queremos medir la temperatura.

GAS A PRESIÓN CONSTANTE

El termómetro de gas de constante es muy preciso, tiene un margen de aplicación extraordinaria: desde -27 °C hasta 1487 °C se utiliza más bien como un instrumento normativo para la graduación de otros termómetros.

-complicada lectura El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas :helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura

c) ¿Qué es el cero absoluto de temperatura?

La escala de temperatura absoluta que corresponde a la escala Celsius se llama escala Kelvin (K), y la escala absoluta que corresponde a la escala Fahrenheit se llama escala Rankine (R). Los puntos cero en ambas escalas absolutas representan el mismo estado físico. Las relaciones entre las escalas de temperatura absoluta y relativa se muestran en las siguientes ecuaciones. Tal escala tiene como punto cero. La temperatura teórica más fría se llama cero absolutos, en el cual el movimiento térmico de los átomos y las moléculas alcanza su mínimo. Este es un estado en el que la entalpía y la entropía de un gas ideal enfriado alcanza su valor mínimo, tomado como 0. Clásicamente, este sería un estado de inmovilidad, pero la incertidumbre cuántica dicta que las partículas aún

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poseen una energía finita de punto cero. El cero absoluto se denota como 0 K en la escala Kelvin, −273.15 ° C en la escala Celsius y −459.67 ° F en la escala Fahrenheit. d) ¿Cuáles son los mecanismos de transferencia de calor? Conducción En el nivel atómico, los átomos de las regiones más calientes tienen más energía cinética, en promedio, que sus vecinos más fríos, así que empujan a sus vecinos, transfiriéndoles algo de su energía. Los vecinos empujan a otros vecinos, continuando así a través del material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero su energía sí. Sólo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente temperatura, y la dirección de flujo siempre es de la temperatura más alta a la más baja. La figura de la izquierda muestra una varilla de material conductor con área transversal A y longitud L. El extremo izquierdo de la varilla se mantiene a una temperatura TH, y el derecho, a una temperatura menor TC, así que fluye calor de izquierda a derecha. Los costados de la varilla están cubiertos con un aislante ideal, así que no hay transferencia de calor por los lados. Si se transfiere una cantidad de calor dQ por la varilla en un tiempo dt, la tasa de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor, denotada por H. Es decir, H = dQ/dt. Se observa experimentalmente que la corriente de calor es proporcional al área transversal A de la varilla y a la diferencia de temperatura (TH-TC), e inversamente proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material, tenemos:

La cantidad (TH-TC)/L es la diferencia de temperatura por unidad de longitud, llamada gradiente de temperatura. El valor numérico de k depende del material de la varilla. Los materiales con k grande son buenos conductores del calor; aquellos con k pequeña son conductores o aislantes deficientes. La ecuación también da la corriente de calor que pasa a través de una plancha, o por cualquier cuerpo homogéneo con área transversal A uniforme y perpendicular a la dirección de flujo; L es la longitud de la trayectoria de flujo del calor. Las unidades de corriente de calor H son unidades de energía por tiempo, es decir, potencia; la unidad SI de corriente de calor es el watt (1 W = 1 J/s). Podemos determinar las unidades

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de k despejándola de la ecuación. Verifique que las unidades sean W/m · K. En la tabla se dan algunos valores de k. Convección La convección es transferencia de calor por movimiento de una masa de fluido de una región del espacio a otra. Como ejemplos conocidos tenemos los sistemas de calefacción domésticos de aire caliente y de agua caliente, el sistema de enfriamiento de un motor de combustión y el flujo de sangre en el cuerpo. Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama convección forzada; si el flujo se debe a diferencias de densidad causadas por expansión térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso se llama convección natural o convección libre. La convección libre en la atmósfera desempeña un papel dominante en la determinación del estado del tiempo, y la convección en los océanos es un mecanismo importante de transferencia global de calor. En una escala menor, los halcones que planean y los pilotos de planeadores, aprovechan las corrientes térmicas que suben del suelo caliente. El mecanismo de transferencia de calor más importante dentro del cuerpo humano (necesario para mantener una temperatura casi constante en diversos entornos) es la convección forzada de sangre, bombeada por el corazón. La transferencia de calor convectiva es un proceso muy complejo, y no puede des- cribirse con una ecuación simple. Veamos algunos hechos experimentales: •

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•

La corriente de calor causada por convección es directamente proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales grandes de los radiadores y las aletas de enfriamiento. La viscosidad de los fluidos frena la convección natural cerca de una superficie estacionaria, formando una película superficial que, en una superficie vertical, suele tener el mismo valor aislante que tiene 1,3 cm de madera terciada (valor R = 0,7). La convección forzada reduce el espesor de esta película, aumentando la tasa de transferencia de calor. Esto explica el “factor de congelación”: nos enfriamos más rápidamente en un viento frío que en aire tranquilo a la misma temperatura. La corriente de calor causada por convección es aproximadamente proporcional a la potencia 5 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el cuerpo 4 principal del fluido.

Radiación: Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente por radiación. 6. REFERENCIAS Cengel, Y. A.; Boles, M.A.: Termodinamica. Mc Graw-Hill, 7ma Ed.2012. Videos de referencia:

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https://www.youtube.com/watch?v=9ZMgnKYGX-U https://www.youtube.com/watch?v=mCRJWu_aRXQ https://www.youtube.com/watch?v=m_v91zu4h4g https://www.youtube.com/watch?v=1wwAQNECC9A https://www.youtube.com/watch?v=e5JAnw9ODC0 https://www.youtube.com/watch?v=JLcKbnq6MrE

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