Lab-de-fenomenos-calorimetria.docx

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Academia de integración y formación básica

“Laboratorio de Fenómenos de Transporte”

“PRACTICA DE CALORIMETRIA”

Profesor: José Manuel Medina Huerta Alumno: Ricardo Gómez Sánchez

Grupo: 2IM39

Equipo No. 2

Horario: Miércoles de 11 a 13hrs

Fecha de entrega: 30 / Agosto / 2017

Índice

pág.

Objetivo general…………………………………………………………………………………………………………………………………………..02 Introduccion…………………………………………………………………………………………………………………………………………………03 Diagrama de equipo…….……………………………………………………………………………………………………………………………….05 Diagrama de bloques…………………………………………………………………………………………………………………………………….06 Tabla de datos experimentales……………………………………………………………………………………………………………………..07 Tabla de temperaturas………………………………………………………………………………………………………………………………….07 Tabla de flux y flujo……………………………………………………………………………………………………………………………………….08 Calor perdido en cada nodo………………………………………………………………………………………………………………………….09 Calculo del coeficiente de calor…………………………………………………………………………………………………………………….10 Análisis cuantitativo……………………………………………………………………………………………………………………………………..10 Conclusiones…………………………………………………………………………………………………………………………………………………11 Resumen……………………………………………………………………………………………….……………………………………………………..12

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PRACTICA DE CALORIMETRÍA

Objetivo General Al término de la práctica, el alumno será capaz de identificar y medir la trasferencia de calor, a través de un cuerpo sólido.

Objetivos Específicos 1. El alumno realizará, el balance de calor total a través de una varilla sólida de

bronce 2. El alumno, determinará la cantidad de calor que se transfiere a través del

cuerpo sólido aplicando la ley de Fourier 3. El alumno determinará la cantidad de calor perdido hacia los alrededores,

mediante el cálculo del coeficiente de transmisión de calor 4. El alumno identificara, cuando se alcanza el estado estacionario de

transferencia de calor, mediante un perfil de temperaturas

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1. Introducción: 1.1 Concepto de 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.

1.2 Concepto de Temperatura: Es una magnitud física que mide la concentración de energía, esto significa que la temperatura es una propiedad física que mide que tan caliente o frío esta una sustancia. La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termómetros o termopares. Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los científicos con el propósito de comunicar y comparar sus resultados. Las dos más utilizadas son las Celsius y Kelvin.

1.3 Concepto de 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.

1.4 Clasificación de Mecanismos de Transferencia de Calor (fig.1)

1.4.1 Conducción: Generalmente se asocia a los sólidos, en el sentido de que este mecanismo de transferencia es necesario el contacto entre la sustancia caliente y la sustancia fría. Por ejemplo, Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. 𝑑𝑇 Ley de Fourier: 𝑄 = 𝑘𝐴 , en donde k es en (W/mK) y T en °C 𝑑𝑥

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1.4.2 Convección: Este tipo de mecanismo de transferencia de calor, es asociado a los fluidos, debido a su constante movimiento. Por ejemplo, si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se produce un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Esta dada por la ley de Newton de transferencia de calor. Q=As h(T-Ta) donde h se llama coeficiente de convección, en W/(m²K), As es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T.

1.4.3 Radiación: La transferencia de calor por radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección, esta diferencia es que las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Esta involucra la Transferencia de Energía Radiante desde una fuente a un recibidor, parte de la Energía se absorbe por el recibidor y parte es reflejada por él. Basándose en la Segunda Ley de la Termodinámica, Boltzmann estableció la velocidad a la cuál una fuente de Calor es: dQ=σ εdA 𝑇 4 Esta se conoce como la Ley de la Cuarta Potencia, T es la temperatura absoluta, σ es una constante adimensional, pero ε es un factor peculiar a la Radiación y se llama Emisividad, igual que la conductividad Térmica k o el Coeficiente de Transferencia de Calor h, debe también determinarse experimentalmente.

1.4.4 Coeficiente de Transferencia por Convección: El coeficiente de convección depende de múltiples parámetros relacionados con el flujo del fluido a través del cual se da la convección, puedes ser del tipo de convección (forzada o natural), del régimen del fluido (laminar o turbulento), de la velocidad del flujo, de la viscosidad del fluido, etc. con todas estas variables, el cálculo analítico presenta muchas dificultades. Los estudios experimentales permiten obtener los valores numéricos de las incógnitas para ciertos valores de los argumentos, y después seleccionar ecuaciones que expliquen los resultados obtenidos. Las formas clásicas de estimarlo se basan en el empleo de correlaciones de números adimensionales (vid. número de Nusselt), de manera que en general se dispone de una igualdad entre el número de Nusselt, que es proporcional al coeficiente de convección, y una cierta expresión que involucra al número de Reynolds y al número de Prandtl en convección forzada, y al de Prandtl y al número de Grashof en convección natural.Otras formas de calcularlo se basarían en emplear modernos programas de diferencias finitas para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes numéricamente, siendo esta última opción muy costosa en términos computacionales. 4|Página

2. Desarrollo experimental 2.1 Diagrama de equipo:

Fig.1(Intercambiador de calor de Superficies Extendidas)

__________________________________________________________________________

Fig.2 (Varilla de Bronce)

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2.2 Diagrama de Bloques de Procedimiento Experimental Manual

Automático (P.C: con software ARMFIELD precargado)

Poner el equipo en condiciones de operación

Poner el equipo en condiciones de operación

Mover el switch principal colocado en la parte posterior de este módulo en ON

Mover el switch principal colocado en la parte posterior de este módulo en ON

Prender el equipo pulsando el Botón de Encendido colocado en la parte frontal

Colocar el selector del Módulo, en la posición de Manual.

Leer por medio del indicador, la Cantidad de Voltaje para esta práctica, V = 9.5 volts, colocando la Perilla reguladora en 3.0

Prender el equipo pulsando el Botón de Encendido colocado en la parte frontal

Colocar el selector del Módulo, en la posición de automático (se perderan los valores).

encender la PC para realizar la demostración gráfica del experimento.

Leer por medio del indicador, la Cantidad de Voltaje para esta práctica Por medio del botón selector VIRL, leer en el Indicador colocando en posición V, la cantidad de Volts sugeridos

Leer colocando en posición l, la cantidad de Amperes, que para estas condiciones marque dicha posición.

Lea el valor de Temperatura en ºC, en la pantalla de cada uno de los termocoples (T1 – T9), en el botón selector

Regístrelo en la Tabla de Datos experimentales, espere 5min. Después de haber realizado la selección V, en el botón selector

por último lea la temperatura en °C del aire experimental (Ta)

Por medio del botón selector VIRL, leer en el Indicador colocando en posición V, la cantidad de Volts sugeridos Leer colocando en posición l, la cantidad de Amperes, que para estas condiciones marque dicha posición. Lea el valor de Temperatura en ºC, en la pantalla de cada uno de los termocoples (T1 – T9), en el botón selector Regístrelo en la Tabla de Datos experimentales, espere 5min. Después de haber realizado la selección V, en el botón selector

por último lea la temperatura en °C del aire experimental (Ta) 6|Página

2.3 Tabla de Datos Experimentales DATOS EXPERIMENTALES Varilla de bronce Diámetro 1 cm Longitud 35 cm At área transversal π *D² /4 As área superficial k bronce

2*π*r*L 104 Kcal/ h m

Qinicial= V *I= watts

0.01m 0.35m 7.8539 × 10−5 𝑚2 0.01099557m

Qinicial=9.5*0.36=3.42 3.42 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠

Qxini=𝑸𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 𝑨𝒕 Ta=22.9

7.8539 ×10−5 𝑚2

=43544.8014

Datos de Calorímetro Voltaje (V) Intensidad (I)

9.5 0.36

volts Amperes

2.3.1 Tabla de Temperaturas en Cada uno de los Nodos: Qinicial=V * I Perfil de temperaturas, a través de la longitud de la varilla, dy=5cm Tiempo (min.) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 X(m)

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

41.6 45.9 48.1 50.1 51.3 52 52.6 53 53.3 0

34.1 37.6 39.9 41.3 42.3 42.8 43.4 43.7 44 0.5

29.1 32 34 35.2 36.1 36.5 37 37.3 37.5 0.1

26.3 28.5 30.3 31.4 32.1 32.6 32.9 33.2 33.4 0.15

24.5 26.3 27.8 28.7 29.4 29.8 30.1 30.3 30.5 0.20

23.3 24.7 26 26.9 27.5 27.9 28.2 28.4 28.6 0.25

22.8 23.9 25.1 25.9 26.5 26.9 27.1 27.3 27.5 0.30

22.4 23.4 24.6 25.2 25.8 26.2 26.4 26.6 26.8 0.35

22.1 22.1 22.1 22.3 22.3 22.4 22.5 22.7 22.9 0.40

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2.4 Secuencia de cálculo CALOR INICIAL – CALOR POR CONDUCCION – CALOR PERDIDO - qx+∆x = k Qx = q (

𝜋𝐷 2 4

𝑇𝑥−𝑇𝑜 𝑋−𝑋𝑜

=(104 Kcal/ h*m)(

)=(1934.4 Kcal/m2 h)(

53.3−44 )=1934.4 Kcal/m2 h .5

𝜋(0.01)2 )=0.1519 4

Kcal/h

Qinicial-Qx=3.42-0.1519=3.3139 Kcal/h Qxini-Q5=43544.8014-1352=42192.8014 Kcal/m2 h

2.5 Tabla de resultados y de grafica - qx+∆x = k Qx = q (

𝑇𝑥−𝑇𝑜 𝑋−𝑋𝑜

𝜋𝐷 2 4

)

2.5.1 Tabla de flux y flujo

0 .5 1934.4 1352

.10 852

Tx,°C T4 L,m .15 603.2

0.1519 0.1061

0.0669

0.0473

T1 Flux Kcal/m2 h Flujo Kcal/h

T2

T3

T5

T6

T7

T8

T9

.20 395.2

.25 228.8

.30 145.6

.35 811.2

.40 0

0.0310

0.0179

0.0114

0.0637

0

2.5.2 Calor perdido en cada nodo Qinicial-Qx=Qperdido Qx es el calor en cada nodo de Q5 hasta Q35 El calor global perdido es con la diferencia del (Qinicial – Q35) Qinicial-Q35=Qglobal perdido

0

5

10

Flujo Coduc.

QINICIAL Kcal/m2 h

42192.8014 42692.8014 42941.6014 43149.6014 43316.0014 43399.2014 42733.6014

Flujo perdido

Kcal/h

3.3139

3.3531

15

3.3727

20

3.389

25

3.4021

30

3.4086

35

3.3563

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T E M P E R AT UR A S VS T I E M P O ( E STA B I L I ZAC I O N ) TEMPERATURA, °C

60

T1

50 40

T2

30

T3

20

T4

10

T5

0 5

10

15

20

25

30

35

40

T6

45

T7

TIEMPO, MIN

TEMPERATURA, °C

Temperatura VS Longitud (REGIMEN PERMANENTE)

5

60

10

50

15

40

20

30

25

20

30

10

35

0

40 5

10

15

20

25

30

35

40

45

45

Longitud, cm

Chart Title 4

3.31393.35313.3727 3.389 3.40213.40863.3563

3.5

Axis Title

3 2.5 2 1.5 1 0.50.1519 0 0.10610.06690.0473 0.031 0.01790.01140.0637 0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

Axis Title

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2.5.3 Calculo del coeficiente de calor Qperdido = h As (Tx – To)

Qperdido T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

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3.0 Análisis cuantitativo

Conclusiones: La ecuación calorimétrica sirve para determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definirla caloría como unidad de calor. Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Esta definición, que tiene su origen en la época en la que la teoría del calórico estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho de que el calor específico del agua varía con la temperatura.

Bibliografía: 11 | P á g i n a

Resumen: PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Transferencia de calor. La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos procesos es idéntico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente, la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que la condensación. Teorías del calor. El estudio de la transferencia de calor se facilitará grandemente mediante una cabal comprensión de la naturaleza del calor. Sin embargo, esta es una ventaja que no está fácilmente disponible para estudiantes de transferencia de calor o termodinámica, ya que se han descubierto muchas manifestaciones del calor, lo que ha impedido que una teoría simple las cubra a todas ellas. Las leyes que pueden aplicarse a transiciones de masa pueden ser inaplicables a transiciones moleculares o atómicas, y aquéllas que son aplicables a las bajas temperaturas pueden no serlo a las temperaturas altas. Para propósitos de ingeniería es necesario comenzar el estudio con información básica acerca de unos cuantos fenómenos. Las fases de una sustancia simple, sólida, líquida y gaseosa, están asociadas con su contenido de energía. Mecanismos de la transferencia de calor. Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, aun cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas son, conducción, convección y radiación. Procesos de transferencia de calor. Se ha descrito a la transferencia de calor como el estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia entre fuentes de calor y recibidores, tratados usualmente de manera independiente. 12 | P á g i n a

Régimen permanente y estado estacionario El estado estacionario es aquel en el que no existen cambios de variables de proceso. Por ejemplo, en un intercambiador de calor, puede entrar agua a 25 C y salir a 80 C. Claro que el agua ha cambiado su temperatura, pero en el estado estacionario, la temperatura del agua a la entrada y a la salida siempre será la misma. En la práctica el estado estacionario es más flexible, las variables cambian dentro de un rango de tolerancia. En el estado no estacionario las variables de proceso cambian y esto se debe a que existe alguna acumulación de materia y energía. Como por ejemplo cuando inicias una operación y "enciendes" los equipos, hay que esperar un tiempo a que se alcancen las condiciones de proceso, es decir primero existe un estado no estacionario hasta alcanzar el equilibro del proceso donde ya llegas al estado estacionario. En particular, un sistema físico está en estado estacionario cuando sus características no varían con el tiempo. En este fundamento se basan las teorías de la electrostática y la magnetostática, entre otras. Suele ser la situación a considerar en gran parte de los supuestos de la termodinámica. El estado estacionario también se conoce como el estado en el que está la naturaleza (estado en el que se encuentra). Es el estado de referencia en termodinámica de procesos irreversibles. El estado estacionario de un sistema abierto que está en equilibrio se define como aquél en el que no varían las variables de estado (temperatura, volumen, presión, etc.) y, por tanto, tampoco se modifican, con el tiempo, las funciones de estado (entropía, entalpía, etc.). El estado estacionario es un estado de mínima producción de entropía (principio de energía mínima).

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