Práctica 4 Calorimetría PDF

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVASACADEMIA DE OPERACIONES UNITARIASLABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE FENÓMENOS DETRANSPORTEPRÁCTICA 4.“CALORIMETRÍA (CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNABARRA CILÍNDRICA CON PÉRDIDAS DE CALOR)”.PROFESOR: JOSÉ ALBERTO MURILLO...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS ACADEMIA DE OPERACIONES UNITARIAS LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE PRÁCTICA 4. “CALORIMETRÍA (CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILÍNDRICA CON PÉRDIDAS DE CALOR)”. PROFESOR: JOSÉ ALBERTO MURILLO HERNÁNDEZ ALUMNO: Martínez Ortega Arantza Sugey

2019320980

Meléndez Medina Carla Julieta

2019320987

EQUIPO: 4 2IV30 21/DICIEMBRE/2020

OBJETIVOS •

Identificar y saber cómo se realiza la medición de la trasferencia de calor en un cuerpo sólido.

•

Realizar el balance de calor a través de la varilla de bronce sólida

•

Determinar por medio de la ley de Fourier la cantidad de calor que se trasfiere al cuerpo sólido, así como el cálculo del coeficiente de transmisión de calor como la cantidad del calor perdido a los alrededores.

•

Identificar con los datos obtenidos mediante un perfil de temperaturas cuando se logra el estado estacionario.

INTRODUCCIÓN Consideraciones teóricas Transferencia de calor La transferencia de calor es el proceso físico de propagación del calor en distintos medios. La subdisciplina de la física que estudia estos procesos se llama a su vez termodinámica. La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico en un sistema o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos cercanos o regiones lo suficientemente próximas se transfiere calor más rápido. Conceptos Básicos • Calorimetría: es la Ciencia que se encarga de la medición de cantidad de energía generada en un proceso de intercambio de calor. • Calorímetro: es el instrumento de medición que permite cuantificar la cantidad de energía calorífica en un proceso de intercambio de calor, a través de la medición de variables tales como la temperatura y la capacidad calorífica de una sustancia, • Calor: es una forma de identificar la presencia o ausencia de energía, en este caso calorífica, mediante la presencia de un gradiente de temperatura, entre una sustancia caliente y una sustancia fría. También representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. • Transferencia de Calor: es un proceso mediante, el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos sustancias o cuerpos, o bien puede ser un mismo cuerpo, pero con diferente temperatura en diferentes regiones del cuerpo. • Formas de trasferencia de calor: El calor se transfiere principalmente por 3 mecanismos, que son convección, radiación y conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, generalmente uno de ellos predomina sobre los otros dos, dependiendo del proceso de estudio.

Ley de Fourier Sea J la densidad de corriente de energía (energía por unidad de área y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de esta. La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura. 𝑑𝑇 𝐽 = −𝐾 𝑑𝑥

Donde k = constante de conductividad de calor [=] cal cm-1 s1 K-1 dT = gradiente de temperatura [=] K dx = gradiente de desplazamiento (propagación de calor) [=] cm Esta ley aplica, para este caso en donde se considera que la cantidad de calor es constante y la propagación del calor es unidimensional (un solo sentido). Conducción de calor en estado estacionario Se habla de conducción de calor estacionaria cuando el transporte de calor se mantiene de manera duradera y homogénea mediante el suministro de calor. En la conducción de calor no estacionaria, la distribución de la temperatura en el cuerpo depende del lugar y del tiempo. La conductividad térmica λ es la propiedad dependiente de la temperatura de un material que indica qué tan bien se distribuye el calor desde un punto en el material. En ausencia de reacciones químicas, los principales tipos de fenómenos de transporte son: • Conducción eléctrica • Conducción térmica • Viscosidad • Difusión

MATERIAL Y EQUIPO Caja de potencia marca Armfield.

Varilla de bronce recubierta con un aislante térmico Termocoples (T1, T2, T3, T4, etc.)

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Explicación del equipo y nodos en la varilla

Se enciende el cronometro y en 5 min transcurridos se toma las lecturas de las temperaturas de T1 a la T8

Para observar la estabilización de las temperaturas se sigue tomando las temperaturas en 10,15, 20, 25 y 30 min. Con este voltaje se ha encontrado estabilización de las temperaturas en cada nodo de entre 30 y 35 min. Con un error ± 0.1-0.2

Balance de calor en cada nodo obteniendo el calor conducido y perdido con respecto al calor inicial.

Ubicación de la fuente

Se lleva a 5.8 volts y I= 0.34 amperes.

Se obtiene la estabilización y se subraya las temperaturas permanentes en el último tiempo. Estas temperaturas se tomarán para el balance de energía

Obtención de graficas de estabilización de temperaturas y tiempo, así como también graficas de temperaturas en cada tiempo contra longitud de la barra régimen permanente.

Se enciende el equipo

Tener a la mano un cronometro para realizar lecturas de las temperaturas

Encontrada la estabilización de las temperaturas en cada nodo en seguida se realiza la segunda prueba

Se toman lecturas de 5, 10, 15, 20,25, 30,35 min. Con este voltaje se ha encontrado en un intervalo de tiempo de 35 a 50 min

DATOS EXPERIMENTALES T (min)

T1 (°C)

T2 (°C)

T3 (°C)

T4 (°C)

T5 (°C)

T6 (°C)

T7 (°C)

T8 (°C)

Tamb (°C)

0

20.1

19.9

19.9

20

20.1

20

30

19.8

20

5

26.3

23.5

22

21.3

21

20.7

20.6

20.3

20.4

10

28.5

25.5

23.5

22.6

21.9

21.3

21.2

20.9

20.6

15

30

26.8

24.6

23.5

22.7

22

21.7

21.4

20.7

20

31

27.6

25.4

24

23.2

22.5

22.2

21.9

20.7

25

31.5

28.1

25.8

24.5

23.5

22.9

22.5

22.2

20.8

30

32.1

28.5

26.2

24.8

23.9

23.1

22.8

22.4

20.9

35

32.4

28.8

26.4

25

24

23.2

22.9

22.6

21

40

32.6

29.1

26.6

25.2

24.2

23.4

23

22.8

21.1

45

32.8

29.2

26.8

25.4

24.4

23.6

23.2

22.9

21.1

50

32.9

29.4

26.9

25.5

24.5

23.7

23.3

23

21.2

V= 5.8 volts I= 0.34 Amperes Longitud= 35cm = 0.35m Diámetro= 1cm = 0.01m KBronce= 104 kcal/hm°C

Xn Longitud

X1 0

X2 5

Distancia X3 X4 10 15

X5 20

X6 25

X7 30

X8 35

OBSERVACIONES: Los datos con los cuales se hicieron los cálculos de la experimentación fueron cuando el tiempo vale 50 minutos. Distancia y Temperatura X(m) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

T(°C) 32.9 29.4 26.9 25.5 24.5 23.7 23.3 23

DIAGRAMA DE CÁLCULOS

Calor suministrado: 𝑄𝑠 = 𝑉 ∗ 𝐼

Área Transversal: 𝐴𝑇 =

𝜋𝐷2 4

Distancia y Temperatura en cada nodo: Ver en el Manual.

Calor de conducción: Calor Perdido: 𝑄𝑃,𝑖 = 𝑄𝑠 − 𝑄𝑐𝑜𝑛,𝑖

Área Superficial: 𝐴𝑠,𝑖 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑥𝑖

𝑄𝑐𝑜𝑛,1 = 1.972 𝑄𝑐𝑜𝑛,𝑖 = −𝑘𝐴 𝑇 (

𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑋2 − 𝑋1

Coeficiente de convección: ℎ𝑖 =

𝑄𝑝,𝑖 𝐴𝑠,𝑖 (𝑇𝑖 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 )

Conductividad Térmica: 𝐾𝐵𝑟𝑜𝑛𝑐𝑒 = 104 ∗ 1.163

h Promedio: ℎ=

∑ℎ𝑖 7

CÁLCULOS

RESULTADOS Tabla de resultados X(m)

T(°C)

Qcon (W)

As,i (m2)

Qpi (W)

hi (W/m2°C)

1

0

32.9

1.972

0

0

-

2

0.05

29.4

0.6646

1.3074

0.00157

101.5535

3

0.10

26.9

0.5693

1.4023

0.00314

78.3495

4

0.15

25.5

0.4684

1.5036

0.00471

74.3988

5

0.20

24.5

0.3988

1.5732

0.00628

75.9120

6

0.25

23.7

0.3494

1.6226

0.00785

82.8603

7

0.30

23.3

0.3038

1.6682

0.00942

84.3292

8

0.35

23.0

0.2686

1.7034

0.01099

86.1086

GRÁFICAS

GRÁFICA DE ESTABILIZACIÓN 35

30

Temperatura (°C)

25

20

15

10

5

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Tiempo (min) T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

Tamb

50

GRÁFICA DE REGIMEN PERMANENTE 35 30

temperatura (°C)

25 20

15 10 5

0 0

5

10

15

20

25

30

35

Longitud (cm) 0 MIN

5 MIN

10 MIN

15 MIN

30 MIN

35 MIN

40 MIN

45 MIN

20 MIN

25 MIN

50 MIN

CALOR PERDIDO Y GANADO 2.5

calor (w/m °c)

2

1.5

1

0.5

0

0

5

10

15

20

longitud (cm) CALOR PERDIDO

CALOR GANADO

25

30

35

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Podemos concluir que cuando la barra en un extremo esta conectada a una fuente de energía, y el otro extremo esta libre, la temperatura decrece con la distancia, como lo pudimos ver en la experimentación, cuando el tiempo vale 50 minutos, al inicio se obtuvo una temperatura de 32.9°C y al final una temperatura de 23°C, por lo cuál se obtuvo una diferencia de 9.9°C entre el termocople 1 y el termocople 8. Con la obtención de estos datos se pudieron determinar la conductividad 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑤 , también se obtuvo el calor de a térmica, transfiriéndola de ℎ 𝑚 °𝐶

𝑚 °𝐶

conducción, el calor perdido, el coeficiente de convección y el área transversal, estos datos se obtuvieron en cada punto desde X0 hasta X8. Finalmente podemos decir que el calor se transfiere en forma energía, pasando de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor de temperatura, como pasó en la barra, del nodo 0 el calor se transfirió al nodo 8. Recordemos que la energía se transfiere por conducción, convección y radiación, en este experimento, se transfirió por conducción.

BIBLIOGRÁFIA Productos. (s. f.). Recuperado 15 de diciembre de 2020, de https://www.gunt.de/es/productos/ingenieria-termica/fundamentosde-termodinamica/principios-de-la-transferencia-decalor/conduccion-de-calor-en-estado-estacionario-y-noestacionario/060.90000/wl900/glct-1:pa-150:ca-91:pr1525#:%7E:text=Se%20habla%20de%20conducci%C3%B3n%20de,del %20lugar%20y%20del%20tiempo • Vega, J. (s. f.). TRANSFERENCIA DE CALOR. Recuperado 15 de diciembre de 2020, de http://www.unet.edu.ve/%7Efenomeno/F_DE_T-165.htm • La conducción del calor. Ley de Fourier. (s. f.). Recuperado 15 de diciembre de 2020, de http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/transporte/cond_calor/conducc ion/conduccion.html • Macías Hernández, M. J., & Alfaro Hernández, S., & Saucedo Jiménez F. R. (2010). Práctica. Calorimetría (Conducción de calor en una barra cilíndrica con pérdidas de calor) [PDF]. Recuperado 15 de diciembre 2020, de: https://labfftesiqie.wordpress.com/manuales •...