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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁFACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIALLABORATORIOS DE TERMODINÁMICAPROFESORA:DRA. ANET DE PALMACURSO:TERMODINÁMICAESTUDIANTES:Omar Bethancourt 8-805- Humberto Luna 8-800- Julieth Sánchez E-8- Ernerto Reina 8-790-FECHA DE ENTREGA:26 DE MAYO DE 2014LABORATORIO 1 - TERMODINÁ...

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

LABORATORIOS DE TERMODINÁMICA

PROFESORA: DRA. ANET DE PALMA

CURSO: TERMODINÁMICA

ESTUDIANTES: Omar Bethancourt 8-805-2059 Humberto Luna 8-800-1731 Julieth Sánchez E-8-103519 Ernerto Reina 8-790-2425

FECHA DE ENTREGA: 26 DE MAYO DE 2014

Á

LABORATORIO N°1 SISTEMA TERMODINAMICO Y ALREDEDORES Objetivo General: Adquirir destreza en el planteamiento preliminar a un análisis termodinámico Objetivos Específicos (1) Identifcar el sistema termodinámico, sus fronteras y su entorno (2) Determinar el tipo de modelado requerido en cada caso. Contenidos Principales: Se revisarán los siguientes conceptos: (1) Sistema termodinámico, alrededores y fronteras (2) Sistema cerrado o masa de control y sistema abierto o volumen de control Metodología: Esta sesión de laboratorio consiste en una práctica en la cual se le plantearan al estudiante diferentes situaciones en la que se requiere hacer un análisis termodinámico. Los estudiantes analizaran y discutirán cada situación de acuerdo a los estudiado en clases y responderán según se describe en el procedimiento. El cuestionario deberá ser entregado al profesor una vez terminada la sesión. Procedimiento: Estudie detenidamente cada figura sugerida. Lea cuidadosamente la pregunta relacionada a cada caso. Seleccione de acuerdo a la pregunta el sistema termodinámico, los alrededores del sistema y sus fronteras e indique si el análisis se realiza bajo el supuesto de una masa de control o de un volumen de control. NO responda la pregunta. Caso # 1 1.1 ¿Cuándo se enfría la comida? Sistema Termodinámico: La comida Alrededores sistema:

del



Sección de aire



Par rilla

Á

Aire de afuera

Frontera: Sección imaginaria

Modelo utilizado para el análisis: Masa de control ya que la masa no cambia. 1.2. ¿La temperatura de 6ºC podría incrementarse hasta 10ºC?

Sistema Termodinámico: Aire Alrededores del sistema: 

Comida caliente



Parrilla



Aire de afuera

Frontera: Imaginaria Modelo utilizado para el análisis: Volumen de control, ya que la nevera está abiert a, el aire de afuera puede entrary salir por lo cual la masa no es constante.

Caso #2. 2.1. ¿Se expandirá o contraerá el hierro al transferirse energía? Sistema termodinámico: Hierro. Alrededores:  Sección de agua de 30 grados Celsius.  Paredes del recipiente, que se presume son tan delgadas, que están a la misma temperatura ex terior de 20 grados Celsius. Frontera:

La frontera puede ser imaginaria, o real (se puede suponer que una ligera capa se forma alrededo r de la masa de hie rro. Modelo utilizado para el análisis: Masa de control. No existe una transferencia de la masa a través de la frontera del bloque de hierro. Volumen, en cambio, puede variar cuando la masa de hierro se contraiga con la transferencia de calor a al sección de agua.

2.2. ¿En cuánto tiempo la temperatura de 30ºC se incrementa a 35ºC? Sistema termodinámico: Sección de agua de 30ºC. Alrededores:  Paredes del r ecipiente.  Bloque de hierro. Frontera: Existen fronteras reael s como las paredes del recip iente, y se podría determinar una fronter a ima ginaria alrededor del bloque de hierro. Modelo utilizado para el análisis: Masa de control. Aunque hay transferenciade cal or, no existe una transferenciade la masa en el sistema. Caso 3: 3.1 ¿Se derretirá el hielo? Sistema Termodinámico: Bloque de hielo Alrededores del sistema:  

Aire del cuarto

Mesa con mantel

Frontera: Ima ginaria Modelo utilizado para el análisis: Volumen de control, ya que cuando el hielo se derrite cambia la masa del mismo. 3.2 ¿Se enfriara la mesa? Sistema Termodinámico: La mesa

Alrededores del sistema:

Bloque de hielo  Aire del cuarto Frontera: Imaginaria 

Modelo utilizado para el análisis: Masa de control, ya que la masa no cambia.

Caso #4:

4.1. ¿Cuál es la temperatura del agua en la salida del calentador? Sistema: Agua que sale del calentador. Alrededores: Paredes de ducto. Fronteras: Ima ginario Modelo: Volumen de control. La masa sale de las fronteras del sistema, pero el volumen permanece constante. 4.2. ¿Cuál es la temperatura del agua cuando sale de la regadera?

Sistema: Bloque conformado por gotas de agua más el aire. Alrededores: Entorno del bloque. Fronteras: Imaginaria Modelo: Volumen de control. La forma y el volumen de este sistema delimitado imaginariamente no cambian, aunque las partículas de agua y aire del sistema no sean siempre las mismas. Referencia: Yunus A. Cengel y Michael A. Boles. TERMODINÁMICA. 6ta Edición. Mc. Graw Hill. 2008.

LABORATORIO No.2 COMPORTAMIENTO PVT DE LAS SUSTANCIAS SIMPLES COMPRESIBLES

ÁREA CURRICULAR: Energía ASIGNATURA O CURSO: Termodinámica I OBJETIVO GENERAL: Representar Procesos Termodinámicos sobre el diagrama PVT de las sustancias simples compresibles. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1. Representar los procesos termodinámicos más comunes sobre un diagrama PVT de las sustancias simples compresibles (Isométrico, isobárico, isotérmico, etc.); 2. Identifcar con claridad las líneas de saturación y las zonas de sub-enfriado, de mezcla y sobrecalentado para cualquier sustancia; 3. Consolidar el uso de las tablas termodinámicas con los diagramas termodinámicos de las sustancias. METAS: Al finalizar esta experiencia el estudiante será capaz de: 1. Localizar estados termodinámicos sobre el diagrama PVT y representar los procesos que resultan de la secuencia de esos estados termodinámicos 2. Diferencias los diferentes procesos termodinámicos más comunes (isométrico, isobáricos, isotérmicos, etc. 3. Representar trayectorias sobre el diagrama PVT, según el comportamiento característico de cada propiedad termodinámica. 4. Manejar las Tablas Termodinámicas para identifcar estados y zonas termodinámicas, dado dos propiedades Termodinámicas independientes. 5. Apreciar la utilidad de los diagramas y las Tablas termodinámicas para la solución de situaciones termodinámicas diversas. CONTENIDO PRINCIPAL:

-

Procesos Termodinámicos más comunes;

-

Diagrama PVT de las sustancias simples compresibles;

-

Defnición de estados, procesos y fases termodinámicas.

METODOLOGÍA y PROCEDIMIENTO Metodología Sugerida: -

Discusión grupal de los resultados y la experiencia;

-

Análisis cuantitativo de los resultados (generación de gráficos, tablas, etc);

-

Análisis cualitativo de los resultados ;

-

Investigación complementaria.

Procedimiento sugerido: -

Cada estudiante individualmente dibuja a mano alzada la curva de saturación del H2O, diferenciando las zona de sub-enfriado y comprimido, la zona de saturación y la zona de sobrecalentado. Identifque el punto crítico sobre la curva;

-

Con ayuda de las tablas termodinámicas del H2O, localice cada estado termodinámico sobre la curva; identifque la forma de la curva y dibuje la trayectoria sobre el diagrama. Las trayectorias son las siguientes: 1) Proceso isométrico a partir del punto crítico, hasta una presión de 200 psia; represente sobre el diagrama el proceso y coloque el valor numérico de la T y v fnal del proceso. Apóyese con la Tabla termodinámica en este punto. 2)

Proceso isotérmico a partir de 200F y entalpía de 100 Btu/lbm hasta una entalpía de 1300 Btu/lbm; represente sobre el diagrama el proceso y coloque el valor numérico de la presión y el volumen específco del estado fnal; Apóyese con la tabla termodinámica otra vez en este punto;

3) Proceso isobárico desde 250 psia y 600 F hasta una Temperatura de 300 F. Represente el proceso sobre el diagrama y coloque el valor del volumen específco fnal del proceso. -

Forme grupos de trabajo para discutir y comparar resultados.

-

Prepare un reporte utilizando las nuevas trayectorias siguientes:

4) Proceso isométrico desde 300 psia y calidad de 80% hasta una Temperatura de 600 F. Localice el proceso sobre el diagrama y coloque los valores de P, v, T del estado inicial y fnal del proceso; ¿Cuál será la temperatura del agua cuando alcance una calidad de 100% para esta trayectoria?

5) Proceso isobárico desde 100 psia y calidad de 70% hasta una Temperatura de 500F. Trace la trayectoria y coloque el valor de los volúmenes específcos al inicio y al fnal de la trayectoria. ¿Cuál será el volumen específico del agua cuando el agua alcanza una Temperatura de 400F en esta trayectoria?

RESULTADOS Diagramas de PVT de las sustancias simples compresibles Caso 1:

Datos dados: P=300Psia

T= 417.35°F

X=80% T=600°F

T=? Cuando alcanza una calidad de 100%

T /100 = 600 / 80 = 750°F

Caso 2:

Datos dados: P=100Psia

T= 327.8°F

X=70% T=500°F

P=680 Psia

V=? Cuando T=400°F y P=?

Las trayectorias son las siguientes: 1. Proceso isométrico a partir del punto crítico, hasta una presión de 200 Psia; represente sobre el diagrama el proceso y coloque el valor numérico de la T y v fnal del proceso. Apóyese con la tabla termodinámica en este punto. 2.

Proceso isotérmico a partir de 200 F y entalpía de 100 Btu/lbm hasta una entalpía de 1300 Btu/lbm; represente sobre el diagrama el proceso y coloque el valor numérico de la presión y el volumen específico del estado fnal. Apóyese con la tabla termodinámica otra vez, en este punto.

3. Proceso isobárico desde 250 Psia y 600 F hasta una temperatura de 300 F. Represente el proceso sobre el diagrama y coloque el valor del volumen específco fnal del proceso.

1. Proceso Isométrico 2. Proceso Isotérmico 3. No se puede determinar dado que esas temperaturas no aparecen en las tablas termodinámicas. LC= Región de Líquido Comprimido Región S= Región de Saturación Región de Vapor Sobrecalentado

PROCESOS

Línea de LS = Línea de líquido saturado Línea de VS = Línea de vapor saturado VS=

1.

Isométrico: V constante

Datos dados: P2= 200Psia = 3190 Psia T2= 382° F P crit = 3190 Psia

T crit = 705.11° F

2.

Isotérmico: T constante

hg

T = 200° F h1 = 100 Btu/lb.m

3.

Isobárico: P constante

= 1145.7 Btu/lb.m;

hf = 168.13 Btu/lb.m

Datos dados: P = 250 Psia

400 .97° F

T1 = 600° F

P 1 = 1542.5 Psia

T2 = 300° F

P 2 = 67.0280 Psia

Vf = 0 .01865 f3 /lbm; Vg = 1.8440 ft3 /lbm

EVALUACIÓN SUGERIDA: -

Asistencia;

-

Participación y aporte individual y de grupo en el desarrollo del laboratorio;

-

Entrega de Reporte según indicaciones.

RECURSOS: -

Hojas cuadriculadas y las tablas termodinámicas del H2O;

-

Espacio físico;

-

Equipo audiovisual;

-

Biblioteca e información en línea.

BIBLIOGRAFÍA YUNUS A. CENGEL, 2006, TERMODINÁMICA, McGRAW-HILL.

LABORATORIO No.3 PROPIEDAD DE LOS GASES

Área curricular: Energía Curso: Termodinámica I Objetivo General: Estudiar el comportamiento de los gases bajo diferentes condiciones de temperatura. Objetivos Específicos: (1) Medir con un anemómetro diferentes condiciones de velocidad y temperatura del aire. (2) Utilizar la ecuación de estado de gas ideal y la carta de compresibilidad generalizada de Nelson-Obert a partir de los valores medidos. (3) Explicar la relación que existe entre la Velocidad del aire “V”, densidad y su temperatura “T” (4) Extender el estudio a otros gases bajo el supuesto de existir bajo las condiciones de temperatura medidas. Metas: Al fnalizar esta experiencia el estudiante debe ser capaz de:  Saber distinguir cuando utilizar la ecuación de estado de gas ideal, y a partir de esta predecir el comportamiento esperado aire y otros gases.  Utilizar la Gráfca de compresibilidad generalizada de Nelson-Obert  Utilizar el anemómetro en los diferentes sistemas de unidades.

Contenidos Principales: Se revisarán los siguientes conceptos:

(1) Defnición y característica de un gas ideal. (2) Ecuación de estado de gas ideal. (3) Carta de compresibilidad generalizada de Nelson-Obert (4) Tipos de medidores de velocidad para un fuido compresible (gases) y sus características (5) Ecuación que presenta la variación de la densidad del aire a diferentes alturas, medidas a partir del nivel del mar.

Metodología: La experiencia se realizará en una sesión. En esta se explicara la experiencia. Seguido de un periodo de discusión conducido por el instructor. Luego se subdivide el subgrupo de laboratorio en subgrupos de 3 estudiantes, los cuales procederán a determinar las 3 áreas en las cuales se realizaran las mediciones. Se reunirán posteriormente fuera de clase y realizaran un informe el cual entregaran la siguiente sesión. Procedimiento: 1. Con el aire apagado mida la temperatura en el laboratorio y consulte en una página web la presión atmosférica local al momento de hacer la medición. R: Para experimento realizado la temperatura era de 25cº presión 1011 Pa 2. Encienda la unidad de aire acondicionado y registre la temperatura cada tres minutos hasta completar cinco lecturas. NO abra la puerta durante el período de medición. R: Numero

de Temperatura

1 2

25Cº

3 4

24Cº

5

22Cº

25Cº

23Cº

3. Mida la temperatura del aire en tres zonas o lugares con condiciones de temperatura diferente, pero con la misma presión atmosférica.

R: Zona 1 22Cº

Zona 2 23Cº

Zona 3 21Cº

4. Varíe la velocidad del aire y mida la temperatura del aire correspondiente a cada velocidad. R: Numero de Lectura

Temperatura

Velocidad de Aire

1 2

22Cº

Lento

20Cº

Rápido

3

19Cº

Rápido

Resultados Esperados: 1. Calcule la masa y densidad del aire en el laboratorio bajo condiciones ambientales. R: dato T= 25Cº, presión 10110 Pa y R= J/ (kg*degK) = 287,05 volumen= 30m3 D=P/R*T

D= (10110)/ (25Cº) (287, 05) = 1, 41 kg/m3

M= (30m3)*(1.141 kg/m3) = 34.23 kg

2. Calcule la presión para cada medición, utilizando la ecuación de estado de gas ideal y la carta de compresibilidad generalizada. Según los registros de temperatura obtenidos en el segundo paso.

Numero

de Temperatura Presión

1 2

25Cº

10110

25Cº

10110

3 4

24Cº

9705.6

23Cº

9301.2

5

22Cº

8896.8

3. Calcule la densidad del aire en las zonas seleccionadas, usando los valores de temperatura medidos en el tercer paso. R:

Numero

de Temperatura Densidad

1

25Cº

1,41

2

25Cº

k / 3 1,41 kg/m3

4

23Cº

k / 3 1.05 1kg/m3 k /

4. Presente un gráfco de Temperatura del aire en función de su velocidad.

Temperatura

Temperatura vs Velocidad

Series1 Lineal (Series1)

Velocidad

y = -0.0771x + 9.3556 R² = 0.9167

5. Determine la ecuación aproximada de la curva encontrada en el punto anterior.

Con esta información conteste las preguntas siguientes: 1. ¿Qué pasa con la densidad del aire cuando este se calienta? ¿Qué pasa cuando se enfría? R: Basándonos en los conocimientos adquiridos en este laboratorio al aire calentarse la densidad del aire disminuye y al enfriarse aumenta. 2. ¿Cuál de los gases (CO2, CO, H2, O2) es más pesado que el aire, a las mismas condiciones de Temperatura y Presión? ¿Cuál es el más liviano? R: A misma temperatura y presión el hidrogeno es más liviano que el aire y el CO2 es más pesado.

3. ¿Al aumentar la velocidad del aire, se enfría? R: si se enfría ya que pierde calor.

4.

¿Qué le pasaría al vapor de agua que contiene el aire, si éste se moviera a velocidades supersónicas? R: el vapor de agua de condensaría ya que el aire al moverse más rápido se enfría.

5. ¿Qué le pasaría a la densidad del aire, si duplicamos su presión a nivel del mar, y mantenemos su temperatura ambiental de 90 ºF? ¿Qué le pasaría si disminuimos su presión ambiental a nivel del mar, a la misma temperatura? R: la densidad aumentaría, recordemos que esta se ve afectada tanto por la presión como por la temperatura y si disminuimos la presión la densidad disminuiría.

6. ¿A 35,000 pies de altura por encima del nivel del mar, el aire es más pesado? ¿Porque? R: al aumentar la altura se aumenta la presión y la temperatura baja aumentando la densidad del aire lo que aumenta su peso.

Evaluación: Cada estudiante deberá profundizar en los temas tratados en la experiencia y esta deberán ser evaluados por el instructor, deberá entregar informe que será evaluado por el instructor. Recursos: Anemómetro, Termómetro Recurso Bibliográfico: Internet, Yunus Cengel y Michael Boles. Termodinámica. 6ta Ed. Mc. Graw-Hill, Mexico, 2008.

LABORATORIO No.4 CALOR ESPECIFICO DE LIQUIDOS

ÁREA CURRICULAR: Energía Objetivo General: Determinar el calor específco de líquidos a partir de otro líquido con calor específco conocido (H20).

Objetivos Específicos: 1. Determinar experimentalmente la variación de la temperatura frente al tiempo de ambos líquidos sometidos a un proceso de calentamiento. 2. Calcular la pendiente de la recta de regresión para ambos líquidos. 3. Calcular el calor específico del líquido desconocido a partir de la Primera Ley de la Termodinámica y los resultados experimentales. METAS:

Al finalizar esta experiencia el estudiante será capaz de: 1. Aplicar la Primera Ley de la Termodinámica para la determinación de propiedades termodinámica. (saber profesional); 2. Utilizar instrumentos de medición de propiedades termodinámicas. (saber hacer); 3. Calcular la pendiente de la temperatura frente al tiempo en un proceso de calentamiento. (saber.hacer);

Introducción

Este informe contiene todo lo referente a la experiencia que tuvimos en el laboratorio, que tiene como objetivo profundizar en el estudio de la variación de la temperatura frente al tiempo de un líquido (en este caso el aceite) sometido a un proceso de calentamiento.

El calor específco o más formalmente la capacidad calorífca específca de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor de manera que es la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia.

El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calórica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular; cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífca se necesita para incrementar la temperatura. Utilizamos como principio la Primera Ley de la Termodinámica para la determinación de las propiedades termodinámicas.

Marco teórico El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamen...