Laboratorio 5 Procesos Politroìpicos y Primera Ley PDF

Preview

Summary

- Comprender el comportamiento de las propiedades de un gas ideal que sufre un proceso politrópico, en términos de la constante politrópica que rige al mismo....

Description

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁINICA DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Y AMBIENTE Curso Termodinámica (7123) LABORATORIO N° 5

Procesos Politrópicos y Primera Ley de la Termodinámica en Sistemas Cerrados

Instructor: Cristian Rodríguez

Fecha de entrega 23 de junio de 2021

Presentado por García, Andrés 8-965-1362 Gonzáles, Mauricio 8-941-1171 Somarriba, Jan 20-53-3852

Grupo 1MI132

Introducción Sabemos que la primera Ley de Termodinámica establece una relación entre el calor transferido intercambiado en un sistema a través de una variable termodinámica llamada energía interna ya que esta no se destruye ni se transforma. La primera ley de la termodinámica determina que la energía interna de un sistema aumenta cuan hay una transferencia de calor o se realiza un trabajo sobre él. En un proceso politrópico tenemos que la relación entre la presión y el volumen dada por P∗V n se mantiene constante. Marco Teórico En la práctica es posible que nos encontremos con condiciones en las que no será posible suponer que alguna propiedad permanece constante en el desarrollo del proceso. En general los procesos que ocurren en un gas son procesos politrópicos, los cuáles están definidos por la siguiente expresión: PV n=C

Donde P es la presión, V el volumen específico, C una constante y n corresponde al índice politrópico del proceso. En el caso particular de estudiar un sistema cerrado y reversible; en el que es posible despreciar los cambios de energía cinética y potencial de este, es posible evaluar el trabajo transferido mediante la expresión siguiente: W =∫ P dv

Si trabajamos bajo las suposiciones de un gas ideal experimentando un proceso politrópico, y en un sistema cerrado, podemos reescribir la ecuación de trabajo, de esta forma: W=

P1 V 1−P2 V 2 1−n

,n ≠ 1

Y mediante la aplicación de la ecuación que representa a la Primera Ley de la Termodinámica para sistemas cerrados, es posible despejar el valor del calor transferido, una vez se haya evaluado el trabajo: Q neto −W neto =∆ U= m (u 2−u1 ) De la expresión es importante señalar que Q neto sería positivo si el calor entra al sistema, y W neto sería positivo si el trabajo es realizado por el

sistema.

Procedimiento 1. Considere un sistema cilindro émbolo que se muestra en la figura N°1, en cuyo interior existe aire con una masa de 1 kg, su estado inicial es de 100 kPa de presión, y una Temperatura de 300 K, luego de un politrópico su presión aumenta a 1000 kPa. Resuelva el problema inicialmente con un índice politrópico n de 1.25. 2. Manteniendo fijo el estado inicial y la presión final, varíe el valor del índice politrópico como se indica en la tabla N°1 y evalué los valores de cambio de energía interna, trabajo y calor para cada caso. Con la ayuda del instructor compare los resultados manuales con los del programa TermoGraf V5.7

Tabla N°1. Energía interna, Trabajo y Calor según el índice politrópico del proceso. Aire

Cálculos

Fórmulas T 2 =T 1 (

P2 n−1 ) n P1

W=

ΔU =u2− u1

R(T 2−T 1) 1−n

Q= ΔU + W

Aire

Nitrógeno Índice politrópico 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5

ΔU (kJ) 131.097 262.799 512.029 729.089 911.572 1191.53 1391.7

W (kJ) -208.295 -205.562 -192.51 -176.939 -162.108 -137.21 -118.18

Q (kJ) -77.198 57.2375 319.519 552.15 749.465 1054.35 1273.52

Oxígeno Índice politrópico 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5

ΔU (kJ) 119.137 243.982 483.518

W (kJ) -182.363 -179.969 -168.543

Q (kJ) -63.2259 64.0129 314.975

689.682 860.718 1121.47 1307.6

-154.91 -141.925 -120.127 -103.466

534.672 718.792 1001.34 1204.14

Análisis ¿Cómo se comporta el trabajo en términos del aumento del coeficiente politrópico del proceso? ¿A qué lo atribuye? Vemos que el trabajo aumenta a medida que el índice politrópico aumenta para todos los gases. Esto se debe a que, al despreciar los cambios de energía cinética y potencial en un sistema cerrado y reversible, tenemos que: W=

P1 V 1−P2 V 2 1−n

¿Cómo se comporta el calor en términos del aumento del coeficiente politrópico del proceso? ¿A qué lo atribuye? A medida que el coeficiente politrópico aumenta, el calor aumenta. Esto se puede atribuir a la relación del calor con la energía y el trabajo, dado a que la energía va aumenta y el trabajo disminuyendo, genera más calor.

Conclusión En este laboratorio estudiamos la variación del trabajo y energía interna en un proceso politrópico con el uso de TermoGraf. Además, observamos la influencia que tiene el índice politrópico sobre el trabajo de frontera y el calor. Donde comprobamos que cuando tengamos un mayor índice politrópico, mayor va a ser el trabajo. Y también que cuando tenemos mayor índice politrópico, el calor también va a aumentar. Comprobamos que cuando n sea igual a 1 el trabajo es equivalente a un proceso isotérmico en el que no habrá cambio de energía....