Calorimetría.docx
This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA
Overview
Download & View Calorimetría.docx as PDF for free.
More details
- Words: 1,295
- Pages: 8
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DIQI
PRÁCTICA DE CALORIMETRÍA.
CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILÍNDRICA CON PERDIDAS DE CALOR. Profesora: Ing. Leslie Gómez Ortiz Grupo: 2IM34 Equipo: 3 Alumno: Lara Cruz Luz Arlette
Fecha: 05/10/2016
CALORIMETRÍA
Es la medida de calor que cede o absorbe un cuerpo en el curso de un proceso físico o químico. La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediando su producción de CO2 y los residuos de N. Calor es la energía térmica que se transfiere de un objeto a otro cuando entran en contacto mutuo, debido a una diferencia de temperatura entre ellos.
𝑄 = ∆𝐸 Donde: Q= Calor transferido ∆𝐸 = E2-E1= Cambio de energía interna
Unidades de Calor 1 Joule= 1𝑥107 𝑒𝑟𝑔𝑖𝑜𝑠 = 0.738 𝑙𝑏𝑥𝑓𝑡 = 9.48𝑥10−4 𝐵𝑇𝑈 1 caloría= 4.18 Joules
Calor específico es la cantidad de calor necesario que se le debe suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevarla 1°C El estudio de la transferencia de calor se facilita mediante una cabal compresión de la naturaleza del calor. El calor por unidad de masa es muy bajo para los sólidos y alto para los líquidos, usualmente intermedios para los gases.
Mecanismo de Transferencia de Calor Hay formas diferentes en las que el Q puede pasar de la fuente al recibidor: Conducción y Radiación; estas pueden tener lugar simultáneamente. La transferencia de calor es un proceso mediante el que se intercambia energía en forma de calor entre distintas sustancias o cuerpos.
El calorímetro nos ayuda a cuantificar la cantidad de energía calorífica en un proceso de intercambiador de calor, a través de medición de variables de temperatura y capacidad calorífica. Conducción: generalmente se asocia a los sólidos, en el sentido de que éste mecanismo de transferencia es necesario el contacto entre la sustancia caliente y fría.
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 la misma. La Ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura. 𝒒𝒙 = −𝑲
𝒅𝑻 𝒅𝒙
La ley de Fourier establece que la densidad de un flujo de calor por conducción, es proporcional a un gradiente de temperatura, e inversamente proporcional a la distancia de propagación de calor, ésta fórmula nos será de mucha utilidad en nuestra práctica ya que será la encargada de guiar a través de los cálculos necesarios hacia nuestras gráficas deseadas.
Diagrama de Bloques
Se obtienen las gráficas de estabilización, temperaturas y tiempos.
Ubicación y encendido de la fuente.
Importante indicarle a la fuente el voltaje requerido para la práctica.
Al obtener la estabilización se suspende la experimentación.
Tener a la mano un cronómetro para realizar las lecturas de temperaturas.
Aproximádamente cada 5 minutos realizar dichas lecturas
Se procede a hacer los cálculos de Qx y Qp
Tabla de Datos
X(hr) T 0 .08 .16 .25 .33 0.41 0.5 .58 .66
0m T1 295.45 297.25 298.05 298.55 298.95 299.15 299.45 299.55 299.65
.05 T2 295.35 296.35 296.55 297.45 297.85 298.05 298.25 298.35 298.45
.10 T3 295.25 295.85 296.35 296.65 297.05 297.15 297.35 297.45 297.55
.15 T4 295.45 295.85 296.25 296.55 296.85 296.95 297.15 297.35 297.35
.20 T5 295.55 295.85 296.05 296.25 296.65 296.75 296.85 296.95 297.05
.25 T6 295.35 295.65 295.95 296.05 296.35 296.45 296.65 296.75 296.85
.30 T7 295.45 295.65 295.75 296.05 296.15 296.25 296.45 296.55 296.65
.35 T8 295.15 295.35 295.55 295.75 296.05 296.05 296.15 296.35 296.45
m T9 295.15 295.45 295.35 295.45 295.65 295.55 295.65 295.65 295.65
Por consecuencia de las unidades, para fines más prácticos las temperaturas se cambiaron de °C a Kelvin.
Cálculo 1. Resistencia QI= V. I= (3.1 Volts) (0.1Amp) = 0.31 J/s QI= 0.2666 Kcal/h Cálculo 2. Calor por conducción 𝑇𝑥 − 𝑇𝑖 𝑄𝑥 = −𝐾𝐴𝑡 𝑥−0 Donde: K= Cte. conductividad del cobre (104 Kcal/hm) At= π D2/4 (0.0000785 m^2) Ti= T referencia (Termopar 1) El calor por conducción, debido a que el régimen permanente se llegó a establecer a partir del minuto 40, solo se calculará de éstos últimos datos (subrayados anteriormente en amarillo) Calculando Qx con unidades de Kcal/h 𝑘𝑐𝑎𝑙
Ejemplo: −104 ℎ𝑚𝐾 ∗ .0000785 𝑚2 ∗ 0.19594
0.17144
298.45𝐾−299.65𝐾
0.12518
.05 𝑚−0
0.10613
= .19594
𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ
0.09144
0.08164
0.17526
0.18506
0.07464
Cálculo 3. Calor por convección QI = Q x + Q p 0.07076
;
Qp = Q I - Qx
0.09526
[=] Kcal/h
0.14152
0.16057
Calculo 4. Determinar coeficiente de película (h) para el sistema. Qp = h * Al * (Tx – Tamb) Se realiza un ajuste lineal para poder obtener la pendiente. Donde: Y= Qp mx= h*Al b= (Tx-Tamb) y= mx+b m= -0.06 ; b= 0.2485 h= m/Al ; h= -5.5045
Al= (3.1416)(0.1m)(0.35m)= 0.0109
0.192
∆T 2.8 1.9 1.7 1.4 1.2 1 0.8
Qp 0.0707 0.0952 0.1415 0.1605 0.1752 0.1850 0.192
Cálculo 5. Determinación del flux 𝑞𝑥 =
𝑄𝑥 𝐴𝑡
2495.54
2183.43
1593.63
1351.59
1164.33
1039.49
950.31
Interpretación del flux: Cómo ya se sabe, el flujo de calor siempre irá de la temperatura más alta a la más baja, el flux en este caso es la cantidad de calor conducido por metro cuadrado, es decir tomando como ejemplo el primer flux encontrado, podemos asegurar que Q desde la fuente hasta nuestro primer termopar fue de 2495.54 Kcal/hm2, y así sucesivamente con los demás termopares.
GRAFICAS
Determinación del coef. de película (h) 0.25 0.2
Qp
0.15 0.1 0.05 0 0
0.5
1
1.5 ∆t (K)
2 2.5 3 y = -0.0666x + 0.2485 R² = 0.929
Estabilización
30 25
Temperatura °C
T1 20
T2 T3
15
T4 10
T5 T6
5
T7 T8
0 0
10
20
30
40
50
Tiempo (min)
Régimen permanente 30
25 Temperatura (°C)
5 min 20
10 min 15 min
15
20 min 25 min
10
30 min 5
35 min 40 min
0 0
10
20 Longitud (cm)
30
40
Observaciones Al realizar la práctica de calorimetría se tuvieron algunos problemas mínimos como que al principio la fuente estaba mal conectada y creímos que ya no podríamos tener valores de experimentación, que en realidad serían irrelevantes porque en realidad la experimentación era más automatizada que nada, luego de esperar unos cuantos minutos pudimos llevar a cabo nuestra experimentación sin ningún problema, teniendo cuidado al momento de tomar las medidas, para esto la compañera encargada del cronómetro, nos avisaba faltando 10 segundos para completar el tiempo establecido propuesto que habían sido 5 minutos y así poder tomar la temperatura exacta. Posterior a esto, se explicó el algoritmo de solución para los cálculos, recalcando la importancia de las unidades en ésta práctica. Conclusión Después de realizar la experimentación, nuestro objetivo principal fue llegar a la estabilización que es el tiempo que se requiere para que la acumulación fuera cero y al régimen permanente, donde a causa de que la acumulación es cero, los parámetros no cambian a pesar de la temperatura; cosa que fue lograda y que podemos comprobar con las gráficas puestas anteriormente, ya que claramente podemos observar el momento en que se estabilizan nuestras temperaturas con respecto al tiempo y la longitud. Pudimos ver analíticamente el calor por conducción, que experimentalmente se dio cómo el transferido en la barra, el calor perdido por convección debido a que nuestro entorno de trabajo fue un fluido y por concepto a un fluido le converge éste calor. A grandes rasgos determinamos la transferencia de calor a través del experimento realizado, recalcando que, si se cumplieron los parámetros necesarios para la transferencia ya que teníamos una distancia de referencia, en éste caso 35 cm. Bibliografía: Fenómenos de transporte 2ª. Edición, Byron Bird, Warren Stewart, Edwin Lightfood, Limusa-wiley, 2008.
PRÁCTICA DE CALORIMETRÍA.
CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILÍNDRICA CON PERDIDAS DE CALOR. Profesora: Ing. Leslie Gómez Ortiz Grupo: 2IM34 Equipo: 3 Alumno: Lara Cruz Luz Arlette
Fecha: 05/10/2016
CALORIMETRÍA
Es la medida de calor que cede o absorbe un cuerpo en el curso de un proceso físico o químico. La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediando su producción de CO2 y los residuos de N. Calor es la energía térmica que se transfiere de un objeto a otro cuando entran en contacto mutuo, debido a una diferencia de temperatura entre ellos.
𝑄 = ∆𝐸 Donde: Q= Calor transferido ∆𝐸 = E2-E1= Cambio de energía interna
Unidades de Calor 1 Joule= 1𝑥107 𝑒𝑟𝑔𝑖𝑜𝑠 = 0.738 𝑙𝑏𝑥𝑓𝑡 = 9.48𝑥10−4 𝐵𝑇𝑈 1 caloría= 4.18 Joules
Calor específico es la cantidad de calor necesario que se le debe suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevarla 1°C El estudio de la transferencia de calor se facilita mediante una cabal compresión de la naturaleza del calor. El calor por unidad de masa es muy bajo para los sólidos y alto para los líquidos, usualmente intermedios para los gases.
Mecanismo de Transferencia de Calor Hay formas diferentes en las que el Q puede pasar de la fuente al recibidor: Conducción y Radiación; estas pueden tener lugar simultáneamente. La transferencia de calor es un proceso mediante el que se intercambia energía en forma de calor entre distintas sustancias o cuerpos.
El calorímetro nos ayuda a cuantificar la cantidad de energía calorífica en un proceso de intercambiador de calor, a través de medición de variables de temperatura y capacidad calorífica. Conducción: generalmente se asocia a los sólidos, en el sentido de que éste mecanismo de transferencia es necesario el contacto entre la sustancia caliente y fría.
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 la misma. La Ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura. 𝒒𝒙 = −𝑲
𝒅𝑻 𝒅𝒙
La ley de Fourier establece que la densidad de un flujo de calor por conducción, es proporcional a un gradiente de temperatura, e inversamente proporcional a la distancia de propagación de calor, ésta fórmula nos será de mucha utilidad en nuestra práctica ya que será la encargada de guiar a través de los cálculos necesarios hacia nuestras gráficas deseadas.
Diagrama de Bloques
Se obtienen las gráficas de estabilización, temperaturas y tiempos.
Ubicación y encendido de la fuente.
Importante indicarle a la fuente el voltaje requerido para la práctica.
Al obtener la estabilización se suspende la experimentación.
Tener a la mano un cronómetro para realizar las lecturas de temperaturas.
Aproximádamente cada 5 minutos realizar dichas lecturas
Se procede a hacer los cálculos de Qx y Qp
Tabla de Datos
X(hr) T 0 .08 .16 .25 .33 0.41 0.5 .58 .66
0m T1 295.45 297.25 298.05 298.55 298.95 299.15 299.45 299.55 299.65
.05 T2 295.35 296.35 296.55 297.45 297.85 298.05 298.25 298.35 298.45
.10 T3 295.25 295.85 296.35 296.65 297.05 297.15 297.35 297.45 297.55
.15 T4 295.45 295.85 296.25 296.55 296.85 296.95 297.15 297.35 297.35
.20 T5 295.55 295.85 296.05 296.25 296.65 296.75 296.85 296.95 297.05
.25 T6 295.35 295.65 295.95 296.05 296.35 296.45 296.65 296.75 296.85
.30 T7 295.45 295.65 295.75 296.05 296.15 296.25 296.45 296.55 296.65
.35 T8 295.15 295.35 295.55 295.75 296.05 296.05 296.15 296.35 296.45
m T9 295.15 295.45 295.35 295.45 295.65 295.55 295.65 295.65 295.65
Por consecuencia de las unidades, para fines más prácticos las temperaturas se cambiaron de °C a Kelvin.
Cálculo 1. Resistencia QI= V. I= (3.1 Volts) (0.1Amp) = 0.31 J/s QI= 0.2666 Kcal/h Cálculo 2. Calor por conducción 𝑇𝑥 − 𝑇𝑖 𝑄𝑥 = −𝐾𝐴𝑡 𝑥−0 Donde: K= Cte. conductividad del cobre (104 Kcal/hm) At= π D2/4 (0.0000785 m^2) Ti= T referencia (Termopar 1) El calor por conducción, debido a que el régimen permanente se llegó a establecer a partir del minuto 40, solo se calculará de éstos últimos datos (subrayados anteriormente en amarillo) Calculando Qx con unidades de Kcal/h 𝑘𝑐𝑎𝑙
Ejemplo: −104 ℎ𝑚𝐾 ∗ .0000785 𝑚2 ∗ 0.19594
0.17144
298.45𝐾−299.65𝐾
0.12518
.05 𝑚−0
0.10613
= .19594
𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ
0.09144
0.08164
0.17526
0.18506
0.07464
Cálculo 3. Calor por convección QI = Q x + Q p 0.07076
;
Qp = Q I - Qx
0.09526
[=] Kcal/h
0.14152
0.16057
Calculo 4. Determinar coeficiente de película (h) para el sistema. Qp = h * Al * (Tx – Tamb) Se realiza un ajuste lineal para poder obtener la pendiente. Donde: Y= Qp mx= h*Al b= (Tx-Tamb) y= mx+b m= -0.06 ; b= 0.2485 h= m/Al ; h= -5.5045
Al= (3.1416)(0.1m)(0.35m)= 0.0109
0.192
∆T 2.8 1.9 1.7 1.4 1.2 1 0.8
Qp 0.0707 0.0952 0.1415 0.1605 0.1752 0.1850 0.192
Cálculo 5. Determinación del flux 𝑞𝑥 =
𝑄𝑥 𝐴𝑡
2495.54
2183.43
1593.63
1351.59
1164.33
1039.49
950.31
Interpretación del flux: Cómo ya se sabe, el flujo de calor siempre irá de la temperatura más alta a la más baja, el flux en este caso es la cantidad de calor conducido por metro cuadrado, es decir tomando como ejemplo el primer flux encontrado, podemos asegurar que Q desde la fuente hasta nuestro primer termopar fue de 2495.54 Kcal/hm2, y así sucesivamente con los demás termopares.
GRAFICAS
Determinación del coef. de película (h) 0.25 0.2
Qp
0.15 0.1 0.05 0 0
0.5
1
1.5 ∆t (K)
2 2.5 3 y = -0.0666x + 0.2485 R² = 0.929
Estabilización
30 25
Temperatura °C
T1 20
T2 T3
15
T4 10
T5 T6
5
T7 T8
0 0
10
20
30
40
50
Tiempo (min)
Régimen permanente 30
25 Temperatura (°C)
5 min 20
10 min 15 min
15
20 min 25 min
10
30 min 5
35 min 40 min
0 0
10
20 Longitud (cm)
30
40
Observaciones Al realizar la práctica de calorimetría se tuvieron algunos problemas mínimos como que al principio la fuente estaba mal conectada y creímos que ya no podríamos tener valores de experimentación, que en realidad serían irrelevantes porque en realidad la experimentación era más automatizada que nada, luego de esperar unos cuantos minutos pudimos llevar a cabo nuestra experimentación sin ningún problema, teniendo cuidado al momento de tomar las medidas, para esto la compañera encargada del cronómetro, nos avisaba faltando 10 segundos para completar el tiempo establecido propuesto que habían sido 5 minutos y así poder tomar la temperatura exacta. Posterior a esto, se explicó el algoritmo de solución para los cálculos, recalcando la importancia de las unidades en ésta práctica. Conclusión Después de realizar la experimentación, nuestro objetivo principal fue llegar a la estabilización que es el tiempo que se requiere para que la acumulación fuera cero y al régimen permanente, donde a causa de que la acumulación es cero, los parámetros no cambian a pesar de la temperatura; cosa que fue lograda y que podemos comprobar con las gráficas puestas anteriormente, ya que claramente podemos observar el momento en que se estabilizan nuestras temperaturas con respecto al tiempo y la longitud. Pudimos ver analíticamente el calor por conducción, que experimentalmente se dio cómo el transferido en la barra, el calor perdido por convección debido a que nuestro entorno de trabajo fue un fluido y por concepto a un fluido le converge éste calor. A grandes rasgos determinamos la transferencia de calor a través del experimento realizado, recalcando que, si se cumplieron los parámetros necesarios para la transferencia ya que teníamos una distancia de referencia, en éste caso 35 cm. Bibliografía: Fenómenos de transporte 2ª. Edición, Byron Bird, Warren Stewart, Edwin Lightfood, Limusa-wiley, 2008.
