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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Laboratorio de Termodinámica Básica Práctica No. 8: Primera ley de la termodinámica en la determinación del tipo de máquina que corresponde a un ciclo.

Equipo: 3 Integrantes:

1IV5

 Alonso Rosales Randy Ezequiel  García Escribano Víctor  Hernández Rodríguez Óscar  López Mendoza Maricruz

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Nombre del Profesor: Alberto Mijares Rodríguez Fecha de entrega: 8/noviembre/2017

Objetivo. A partir de datos de alturas manométricas, temperatura ambiente, altura barométrica y

Equipo no. 3

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termodinámica básica

volúmenes obtenidos experimentalmente por el estudiante en el equipo Clemen Desormes, calcular los valores de presión, volumen y temperatura de cada estado para trazar la gráfica de ciclo, calcular los valores de las variaciones de energía de cada proceso y del ciclo de acuerdo a la primera ley de la termodinámica y determinar el tipo de máquina.

DESARROLLO EXPERIMENTAL. Tabla de datos experimentales. Altura de Hg (h1) en cm

Altura de Hg (h3) en cm

13.9

Temperatura ambiente (tamb) en (°C)

Altura barom (hbarom) (cm de Hg)

24

58.5

2.4

Volumen del recipiente de vidrio (V) en (L)

20.5

Cálculos 1.- Calcula la densidad del mercurio (ρHg ) en Kg/m3 a la temperatura ambiente (°C) ρHg = 13595.08 – 2.466(tamb) + 0.0003(tamb)2 ρHg = 13595.08 – 2.466(24) + 0.0003(24)2 ρHg =13,536.0688 Kg/m3 2.- Calcula la presión atmosferica (Patm) en pascales. Patm= (ρHg) (g) (hbarom) Patm= (13536.0688 Kg/m3) (9.78m/s2) (0.585m de Hg) Patm= 78,156.58445 Pa 3.- Calcula los valores de la presión manométrica (Pman) del mercurio en pascales Pman = (ρHg) (g) (h)

h1 y h3 en metros

Pman 1 = (13,536.0688 Kg/m3) (9.78m/s2) (0.139m) Pman 1 = 18,401.20265 Pa Pman 3 = (13,536.0688 Kg/m3) (9.78m/s2) (0.024m) Pman 3 = 3,177.1860 Pa 4.- Calcula los valores de la presión absoluta (P) en pascales de cada estado Página | 2

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P1= Pman1+Patm P2= Patm P3= Pman3+Patm P1= 18,401.20265 Pa + 78,156.58445 Pa P1= 96,557.7871 Pa P2= 78,156.58445 Pa P3= 3,177.1860 Pa + 78,156.58445 Pa P3= 81333.77045 Pa 5.- Calcula V1 en m3 y T2 en K T1= T3 = Tamb

V2=V3= 20.5 L = 0.0205m3

( °KC ) t

T (K )= 1

(° C )

+273.15 K

T 1,3(K )=24 +273.15 K T 1,3(K )=297.5 K

V 1=

P3 x V 3 P1

T2=

P2 T 3 P3

81333.77045 Pax 0.0205m3 96557.7871 Pa 78,156.58445 Pa x 297.5 T2= 81333.77045 Pa V 1=

V1=0.0172m3

T2= 285.87K

Estado 1

Presión P en (Pa) 96,557.7871 Pa

Volumen V en (m3) 0.0172m3

Temperatura T en (K) 297.5 K

2

78,156.58445 Pa

0.0205m3

285.87K

3

81,333.77045 Pa

0.0205m3

297.5 K

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7.- Calcula la cantidad de aire del sistema en moles 3

En donde R = 8.314 n= n=

Pa m mol K

P1 x V 1 R xT 1

( 96557.7871 Pa ) ( 0.0172 m3 )

(

3

8.314

)

Pam ( 297.5 K ) mol K

n=0.6714 mol

8.- Calcula el exponente politropico δ Despejando δ δ

del proceso de (1-2)

de la expresión:

δ

Pi V i =Pf V f

Pf Pi δ= V ln f Vi ln

ln δ=

78156.58445 Pa 96557.7871 Pa 0.0172 m3 ln 0.0205 m3

δ=1.2045 9.- Traza una sola gráfica P-V del ciclo: del proceso 1-2 usa 7 puntos minimo para la trayectoria; del proceso 2-3 es una línea recta y para la trayectoria del proceso 3-1 completa la tabla. Indica en el mismo diagrama, que tipo de maquina es de acuerdo al ciclo. Como se indica a continuación: Para los puntos de la trayectoria del proceso de 1 a 2. Tú asigna 5 valores V uniformemente repartidos entre V1 y V2 y calcula los valores de la presión P con la expresión: P=P1

V1 V

δ

( )

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P=96,557.7871 Pa

P=96,557.7871 Pa

P=96,557.7871 Pa

P=96,557.7871 Pa

P=96,557.7871 Pa

( ( ( ( (

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3 1.2045

17.2m 3 17.5 m 17.2m3 17.8 m3 17.2 m 3 18 m

) ) ) ) )

=94567.5175 Pa

1.2045

=92651.0671 Pa

3 1.2045

17.2m3 18.7 m3

=91412.4999 Pa

1.2045

=87306.8065 Pa

3 1.2045

17.2m 3 19.5 m

=83010.8056 Pa

Volumen (L)

Presión (Pa)

V1 = 17.2

P1=96,557.7871

V = 17.5

P= 94567.5175

V =17.8

P = 92651.0671

V = 18

P = 91412.4999

V = 18.7

P = 87306.8065

V = 19.5

P = 83010.8056

V2 =20.5

P2 =78,156.58445

Para el proceso de 2-3 la trayectoria es una línea recta por lo que no necesitamos puntos intermedios. Para los puntos de la trayectoria del proceso 3 a 1.

Tú asigna 5 valores de volumen V uniformemente repartidos entre V1y y V3y calcula los valores de la presión P con la expresión: P=P1

( VV ) 1

Completando el siguiente cuadro:

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=94902.5107 Pa ( 17.2 17.5 ) 17.2 P=96557.7871 ( =93303.0302 Pa 17.8 ) 17.2 P=96557.7871 ( =92266.3299 Pa 18 ) 17.2 P=96557.7871 ( =88812.5100 Pa 18.7 ) P=96557.7871

Volumen (L) V1= 17.2 V =17.5 V = 17.8 V =18 V =18.7 V = 19.5 V3 = 20.5 P=96557.7871

Presión (Pa) P1 =96557.7871 P = 94902.5107 P = 93303.0302 P = 92266.3299 P = 88812.5100 P = 85168.9199 P3 =81,333.77045

=85168. 9199 P ( 17.2 19.5 )

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10.- Calcula la variación de energía interna, la variación de entalpia, el trabajo y el calor para cada proceso y para el ciclo, en Joules. Para todos los procesos R= 8.314

J mol K

Gas diatómico Cp =

7 R 2

Cv =

5 R 2

Proceso politropico (1-2) ∆U = n Cv (Tf (2) – Ti (1)) J ∆U = 0.6714 mol )(20.785 ¿ mol K

)(285.87K – 297.5K)

∆U=-162.2972Joules

∆H = n Cp (Tf (2) – Ti (1)) J ∆H = 0.6714 mol )(29.099 )(285.87K – 297.5K) ¿ mol K ∆H= -227.2161Joules W=

−nR ( T f −T i ) 1−δ J ) ( 285.87 K – 297.5 K ) mol K 1−1 .2045

−(0.6714 mol)(8.314 W= W=317.4517Joules Q=∆U −W Q=¿

-162.2972Joules - 317.4517Joules

Q=−479 . 7489 Joules Proceso Isocorico (2-3) ∆U = n Cv (Tf (3) – Ti (2)) J ∆U = 0.6714 mol )(20.785 ¿ mol K

)( 297.5K - 285.87K )

∆U = 162.2972 Joules ∆H = n Cp (Tf (2) – Ti (1)) J ∆H = 0.6714 mol )(29.099 ) ( 297.5K - 285.87K ) ¿ mol K Página | 8

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∆H =227.2161Joules W= 0 Q= ∆U Q= 162.2972 Joules Proceso Isotermico (3-1) ∆U = 0 ∆H = 0 W =−nRT ln

V1 V3

( )

J 0.0172 m3 W =−(0.6714 mol)(29.099 )(297.5 K ) ln mol K 0.0205 m3

(

)

W=1,020.1448 Joules Q= -W Q= -1,020.1448 Joules Proceso Politropico (1-2) Isocórico (2-3) Isotérmico (3-1)

∆U (J) -162.2972Joules 162.2972 Joules 0

∆H (J) -227.2161Joules 227.2161Joules 0

ciclo

0

0

W (J) 317.4517Joules 0 1,020.1448 Joules 1,337.5965 Joules

Q(J) −479.7489 Joules 162. 2972 Joules -1,020.1448 Joules -1,337.5965 Joules

Análisis de datos, gráficas y resultados 1.- ¿Son correctos los valores de ∆Uciclo y ∆Hciclo? ¿Por qué? R= si lo son, como los resultados finales fueron 0 nos indica que la energía es la misma, por lo que no puede haber más energía 2.- ¿Qué signo tiene el Wciclo? R= positivo 3.- ¿Qué tipo de maquina es de acuerdo al signo del trabajo del ciclo? R= es una maquina frigorífica 4.- ¿Qué tipo de maquina resulta de acuerdo al diagrama P-V del ciclo? ¿Es congruente con la pregunta numero 3? Página | 9

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R= es una maquina frigorífica, dado que la trayectoria sigue el sentido de las manecillas del reloj por lo que es congruente con la pregunta 3 5.- ¿Se cumplió el objetivo de la práctica? ¿Por qué? R=Si se cumplió, por los resultaos obtenidos se puede verificar que se cumple la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado así mismo que analizando todos los datos el tipo de maquina coincidía para todos.

Conclusión: Gracias a la práctica consideramos que muchos de los motores y plantas de energía, operan convirtiendo energía térmica en trabajo. La razón es que un gas al calentarse puede hacer trabajo mecánico sobre turbinas o pistones, lo que ocasiona que se muevan (como lo demostramos a la hora de conectar la manguera en las pipetas y estas movían el mercurio dentro). Así entendemos que la primera ley de la termodinámica aplica el principio de conservación de energía a sistemas donde la transferir de calor y hacer un trabajo son los métodos de intercambio de energía dentro y fuera del sistema. De la misma manera fue necesario conocer la gráfica, como recurso necesario como apoyo para entender qué clase de maquina termina era.

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