Manual Laboratorio de Termo

2INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA

2INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DEL AGUA Y MEDIO AMBIENTE

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DEL AGUA Y MEDIO AMBIENTE

ACADEMIA DE TERMODINAMICA

ACADEMIA DE TERMODINAMICA

MANUAL DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE

MANUAL DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE

TERMODINAMICA

TERMODINAMICA

COORDINADOR

COORDINADOR Y LIDER DE BLOQUE

Y LIDER DE BLOQUE DE LA

DE LA ACADEMIA

ACADEMIA DE

DE

TERMODINÁMICA:

TERMODINÁMICA:

ING. GERMÁN EDUARDO DÉVORA ISIORDIA

ING. GERMÁN EDUARDO DÉVORA ISIORDIA

PRÁCTICA No. 1

APLICACIÓN DE SISTEMAS DE UNIDADES

OBJETIVO

El alumno aplicará los sistemas de unidades en las mediciones de algunos parámetros físicos como: masa, volumen, densidad, gravedad específica, temperatura y velocidad.

INTRODUCCIÓN

Cualquier cantidad física se caracteriza por sus dimensiones, y las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se llaman unidd!". Algunas dimensiones básicas como la masa m, la longitud L, el tiempo t  y la temperatura T  se consideran dimensiones primarias o fundamentales, en tanto que otras como la velocidad v , la energía E  y el volumen V  se expresan en trminos de las dimensiones primarias y reciben el nombre de dimensiones secundarias o derivadas. !n grupo de unidades estándar y sus combinaciones se llama "i"#!$ d! unidd!".

El sistema de unidades más importante en el mundo es el Sistema Internacional  "#$%. Este sistema es un sistema sencillo y l&gico basado en una relaci&n decimal entre las diversas unidades y es usado en la mayor parte de las naciones. El #$ utiliza siete dimensiones primarias: masa, longitud, tiempo, temperatura, corriente elctrica, intensidad luminosa y cantidad de sustancia. Cuando intervienen valores muy grandes o muy peque'os, se utiliza un con(unto de prefi(os estándar para simplificar la escritura de un con(unto de un valor en unidades del #$. Estos prefi(os designan ciertos m)ltiplos decimales de la unidad. *as dimensiones primarias de masa, longitud, tiempo y temperatura están representadas por el +ilogramo, el metro, el segundo y el +elvin. *a unidad de fuerza en el #$ es el e-ton "%, siendo

  /  +g0m1s

2

.

En Estados !nidos se emplea frecuentemente el Sistema Inglés de Unidades "!#C#%. En este sistema se utilizan las unidades de libra3masa, pie, segundo y grado 4an+ine. En el sistema ingls la fuerza es considerada como una dimensi&n primaria y, por tanto, se considera una unidad no derivada. *a unidad de fuerza del !#C# es la libra3fuerza "lbf %,

MATERIAL Y EQUIPO

•

8ensímetro

•

9edidor de gravedad específica

•

alanza granataria

•

alines

•

Cuerpo s&lido de forma geomtrica regular "ladrillo, pelota o granos%

•

;robeta de 2<= ml

•

>erm&metro de == ?C

•

@aso de precipitado de <== ml

•

;arrilla

•

Cron&metro

•

4egla

•

;inza de disecci&n

•

ranos "maíz, trigo, sorgo, fri(ol, etc.%

•

 Aceite comestible

•

 Aceite de motor

•

@arilla de vidrio

•

@ernier

PROCEDIMIENTO

. 4ealizar mediciones de peso al ladrillo y a diferentes muestras de granos y expresar la masa correspondiente.

2. 9edir la gravedad específica de un aceite. 5. 8eterminar la densidad del aceite.

7. 8eterminar la densidad a diferentes cuerpos s&lidos "ladrillo, pelota o granos%.

<. Calentar el agua 2 veces con incrementos de temperatura de = ?C a partir de la temperatura ambiente, medir su densidad y consultar la densidad del agua en tablas a esas temperaturas.

B. Con la f&rmula de @/ d1t, determine la velocidad que tarda un balín en caer al fondo de una probeta con aceite.

6. 4egistra en la tabla los valores obtenidos y realiza las conversiones necesarias.

TABLA DE RESULTADOS

EVALUACIÓN INDIVIDUAL

. Cuál es el sistema de unidades más utilizadoD

2. Cita e(emplos de unidades utilizadas para medir la masa de un cuerpo.

5. A qu se debe que la gravedad específica sea un parámetro adimensionalD

7. Cuál es la importancia de utilizar un sistema de unidades para representar cantidades o propiedades determinadasD

Propiedades Fsicas Sistema de Unidades

Sistema Internacional Sistema Inglés

;eso del ladrillo

;eso de la muestra de granos

9asa del ladrillo

9asa de la muestra de granos

8ensidad del aceite ravedad específica del aceite

9asa del s&lido @olumen del s&lido 8ensidad del s&lido >emperatura  >emperatura 2

8ensidad a la temperatura  8ensidad a la temperatura 2 @elocidad del balín

<. u es un factor de conversi&nD

B. Cuál sería el peso y la masa del ladrillo utilizado en la práctica, en la superficie de la luna si la gravedad es de .B6 m1s2_D

BIBLIOGRA%&A

Fengel Gunus H oles 9icIael. 2==5. T!'$(din)$i*. Cuarta Edici&n. Editorial 9c ra-Jill. 9xico.

Kar+ LennetI H 4icIards 8onald. 2==. T!'$(din)$i*. #exta Edici&n. Editorial 9c ra- Jill. Espa'a.

Kilson Merry. NN6. %+"i*. #egunda Edici&n. ;rentice Jall Jispanoamericana. 9xico.

MEDICIONES DE CAUDAL O GASTO

OBJETIVO

Efectuar mediciones de Caudal o asto, conocer el principio de funcionamiento básico de los instrumentos y la importancia de su aplicaci&n en la industria.

INTRODUCCIÓN

El caudal o flu(o es la cantidad de fluido que circula por un conducto o cauce en un tiempo determinado. ;ara transportar los fluidos de un lugar de la planta a otro o de un proceso a otro se necesita instalar sistemas de tubería apropiados. *a finalidad es canalizar el fluido adonde se necesita y, al mismo tiempo, mantenerlo aislado del medio externo.

Jay fluidos altamente t&xicos, por lo que se debe garantizar su confinamiento para que no produzca da'os en el medio ambiente. En algunos casos, el valor del fluido es tan elevado que se procura evitar desperdicios. Cuando así sucede, es conveniente calcular la cantidad exacta que se está transfiriendo o consumiendo. #i en una estaci&n de gasolina la medici&n de caudal es imprecisa, la cantidad de combustible recibido por el automovilista será menor o mayor que la indicada en el cuadrante de la máquina despacIadora. En el primer caso, el impacto econ&mico sería en contra del automovilista y en el otro, en contra del concesionario de la estaci&n.

8e la misma manera, en una planta industrial, los elementos químicos empleados en la fabricaci&n de compuestos más comple(os se alimentan en dosis muy exactas. ;or lo tanto, si la medici&n de caudal no es precisa las prdidas econ&micas pueden ser cuantiosas y la calidad del producto final puede no cumplir con las especificaciones de calidad esperadas.

!n )ltimo e(emplo se refiere a la alimentaci&n del gas natural a las casas particulares o a las grandes instalaciones termoelctricas. C&mo podría la empresa suministradora de gas facturar el consumo si antes no mide la cantidad de gas utilizada por el usuarioD ;or este motivo, la medici&n de flu(o tiene una aplicaci&n fundamental no s&lo en la planta industrial, sino en cualquier sector  donde se requiera la transferencia de fluidos.

 Aunque Iay m)ltiples dispositivos para medir el caudal, los más empleados son los que a continuaci&n se explican.

M!did('!" d! ,'!"i-n di!'!n*i/

;or su fabricaci&n sencilla, su facilidad de instalaci&n y su precio accesible, estos dispositivos tienen un uso más extendido en la industria. ásicamente consisten en un elemento primario, que genera la presi&n diferencial, y un elemento secundario, capaz de medir dicIa presi&n y mostrarla o registrarla en un cuadrante.

El elemento de medici&n primario más sencillo se conoce como ,/* d! ('ii*i(. #e trata de una placa metálica circular con un orificio Opor lo regular en su centroO, que se coloca en una brida montada en forma conveniente en la tubería donde circula el fluido.

El tama'o del orificio es importante, ya que determina el grado de restricci&n que Iabrá en la línea. !n orificio grande presenta una restricci&n ba(a y, en consecuencia, una presi&n diferencial de ba(a magnitud. ;or otro lado, un orificio cIico presenta una gran restricci&n y una presi&n diferencial elevada.

En cualquier caso, la presi&n diferencial producida a travs de una placa de orificio es de peque'a magnitud, de tal manera que para medirla se utilizan escalas graduadas en pulgadas de agua. !na presi&n de una pulgada de agua es aquella capaz de elevar una columna de agua a una altura de una pulgada. *os instrumentos medidores y registradores utilizados en estas aplicaciones utilizan elementos de fuelles o diafragmas calibrados en estas unidades.

E/ #u0( 1!n#u'i es otro popular dispositivo que opera ba(o el principio de presi&n diferencial a travs de una restricci&n. *a principal venta(a es su resistencia a la contaminaci&n por sedimentos o por el propio fluido que circula a travs de l. Además, opera a un rango de velocidad de flu(o más alto que la placa de orificio. *a desventa(a es que tiene un costo considerablemente más elevado y que sus características de operaci&n no pueden modificarse en campo. *os proveedores de estos medidores suministran el tubo venturi con unas dimensiones y rango de operaci&n calculados para unas condiciones de operaci&n específicas.

L 0(ui// d! /u3( es otro de los dispositivos que opera ba(o estos principios. *a venta(a que tiene sobre el tubo venturi es una menor longitud y, por lo tanto, un costo menor. Es igualmente apropiado para aplicaciones de fluidos con un alto grado de sedimentos.

Entre los dispositivos sencillos destaca !/ #u0( Pi#(#, que consiste en un tubo doblado Iacia la direcci&n donde viene el flu(o. Ptra variaci&n de dise'o se construye mediante un tubo recto con una perforaci&n en el lado orientado Iacia donde viene el flu(o. *a fuerza de impacto del fluido sobre el extremo u orificio en el tubo es una rama de la presi&n diferencial. *a otra rama es la presi&n estática del fluido.

Este dispositivo se utiliza mucIo cuando se tiene una tubería de gran diámetro. Aunque tiene la venta(a de su ba(o costo y sencillez de fabricaci&n, la desventa(a es que s&lo mide el flu(o en el punto de impacto. #e Ia tratado de superar esta desventa(a suministrando tubos ;itot con varias perforaciones orientadas Iacia donde viene el flu(o. 8e esta manera, la presi&n diferencial promedio que se genera representa la velocidad de fluido con mayor precisi&n.

En todos los casos, la presi&n diferencial que producen los dispositivos anteriormente mencionados se alimenta a un aparato de medici&n que tiene una escala graduada en unidades de velocidad de flu(o "por e(emplo, metros c)bicos por minuto%.

M!did('!" d! #u'0in

$ntroducidos al mercado en la dcada de los cuarenta, estos dispositivos tienen una precisi&n muy alta y gran resistencia mecánica. #u construcci&n, muy sencilla, consta de un rotor montado sobre unos co(inetes y empotrado dentro de un compartimiento. Cuando el fluido que queremos medir  circula a travs de este compartimiento, el rotor empieza a girar libremente a una frecuencia proporcional a la cantidad de fluido que está pasando en un momento dado.

*uego se instala un dispositivo detector capaz de medir la frecuencia de giro del rotor. *a salida de este detector se conecta a un circuito electr&nico que produce una se'al equivalente a la velocidad de fluido que circula por el medidor. Esta se'al, a su vez, se alimenta de un dispositivo registrador1indicador con una escala graduada en unidades de velocidad de flu(o.

M!did('!" d! /u3( $4n5#i*(

Estos medidores se basan en los Iallazgos del físico ingls Qaraday, quien descubri& en R5 que al mover un material conductor dentro de un campo magntico se producía una fuerza electromagntica de magnitud proporcional al movimiento. #e dice que Qaraday intent& medir el caudal del río >ámesis aprovecIando el campo magntico de la tierra y colocando dos electrodos en las riveras opuestas del río. o obtuvo los resultados esperados porque a)n no conocía el fen&meno de la polarizaci&n de los electrodos. Este fen&meno se debe a la electr&lisis que se produce entre los electrodos cuando stos se alimentan con corriente directa. *a electr&lisis produce gases que contaminan los electrodos, con lo que se evita un contacto eficiente entre stos y el líquido que fluye en la tubería. ;ara evitar esta manifestaci&n, los medidores magnticos actuales se alimentan con corriente alterna.

En resumen, un medidor magntico de flu(o consiste básicamente en un campo magntico producido por un par de electroimanes y dos electrodos. >odo esto se encuentra montado en un tubo apropiado que se puede intercalar en la tubería que transporta el fluido que se desea medir.

El volta(e que se produce entre los electrodos está en funci&n de la distancia entre ellos, la densidad del flu(o magntico y la velocidad del fluido. Como los primeros dos parámetros no varían se puede considerar que el potencial entre los electrodos es proporcional a la velocidad del fluido.  Al medir este potencial es posible determinar la velocidad de flu(o. Aunque el dise'o de un medidor 

de flu(o magntico tiene una gran comple(idad, la instalaci&n, la calibraci&n y el mantenimiento son muy sencillos.

MATERIAL Y EQUIPO

• 4otámetro

• 9edidor de flu(o magntico • ;robeta graduada de <== ml • Cron&metro

• @aso de precipitado de <== ml • @ernier 

PROCEDIMIENTO

. Abrir válvula de agua del condensador de la torre de destilaci&n y tomar lectura del 4otámetro.

2. En la descarga de agua del mismo condensador medir experimentalmente el gasto "% en lit1seg con la ayuda de un recipiente, la probeta y el cron&metro.

5. 9edir el área de la circunferencia de la manguera "A% y calcular la velocidad del fluido "@% con la f&rmula: /A·@.

7. ;reparar medidor de flu(o magntico, instalarlo en tubería y medir la velocidad. <. 8eterminar el caudal con la f&rmula del medidor de flu(o magntico.

B. 4egistrar en tabla los valores obtenidos.

TABLA DE RESULTADOS

asto @elocidad "m1s%

4otámetro

9edidor de flu(o magntico 8escarga de tubería

EVALUACIÓN INDIVIDUAL

. Explica el concepto de caudal o gasto.

2. 9enciona de que tipo son los medidores de flu(o utilizados en sta práctica.

5. 9enciona 2 motivos por lo cual es indispensable el uso de los medidores de flu(o en la industria.

BIBLIOGRA%&A

Ittp:11---.manufactura-eb.com "9edidores de flu(o%.

PRÁCTICA N(. 6

EQUIPOS E INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE PRESIÓN

OBJETIVO

El alumno identificará los diferentes tipos de medidores de presi&n e interpretará el significado práctico de cada una de las mediciones realizadas.

;resi&n expresada como altura de una columna de fluido.

$maginemos un cuerpo líquido sobre cuya superficie libre no Iay presi&n, aunque en realidad la mínima presi&n que puede Iaber sobre un líquido es la presi&n de su propio vapor. 8e(ando de lado, por el momento, esta presi&n, la presi&n a la profundidad ! es de acuerdo a la siguiente ecuaci&n y figura :

P"

γ 

#! donde

γ 

 / peso específico. Ec. .

Qig. ra .

#i se supone que

γ 

 es constante, Iay una relaci&n definida entre  P $ !. Es decir, la presi&n "fuerza por unidad de área% es equivalente a una altura !  de cierto fluido de peso específico constante. Es conveniente a menudo expresar una presi&n en trminos de la altura de una columna líquida equivalente que como una fuerza por unidad de área.

Cuando la superficie del líquido está ba(o cierta presi&n, es necesario convertir esta presi&n en altura equivalente del fluido en cuesti&n y sumar este valor a !, como se indica en la figura . ;ara obtener la presi&n total como altura de una columna líquida.

os Iemos referido a un líquido en lo anterior, pero es igualmente posible usar este criterio para gases y vapores especificando previamente cierto peso específico constante %  para el gas o vapor en cuesti&n. 8e este modo, la presi&n P  puede ser expresada como altura de columna de cualquier fluido por medio de la relaci&n:

9edida de la presi&n

#e llama presi&n absoluta la que se mide sobre el cero absoluto de presi&n. *a presi&n manomtrica es la que se mide tomando la presi&n atmosfrica como referencia. Esto es porque prácticamente todos los medidores de presi&n o man&metros, indican cero cuando están comunicados con la atm&sfera e indican solo la diferencia de presi&n entre el fluido con que están comunicados y el aire ambiente.

#i la presi&n es menor que la atmosfrica, se la llama vacío y su valor manomtrico es el valor de la presi&n en que está por deba(o de la presi&n atmosfrica. !n Salto vacíoS es en realidad una ba(ísima presi&n absoluta. El vacío absoluto correspondería a cero.

>odos los valores de presi&n absoluta son positivos en los fluidos, pues un valor negativo indicaría un estado de tensi&n, lo que se considera normalmente imposible en los fluidos. *as presiones manomtricas son positivas si están por arriba de la presi&n atmosfrica y negativas en caso contrario.

*a presi&n atmosfrica se llama tambin presi&n baromtrica, y varía con la altitud.

ar&metro

*a presi&n absoluta de la atm&sfera se mide con el bar&metro. #i un tubo, como el de la figura 2, tiene su extremo inferior sumergido en un líquido que está expuesto a la presi&n atmosfrica, y se elimina el aire del tubo, el líquido asciende por ste. #i se extra(era el

aire, la )nica presi&n sobre la superficie del líquido en el tubo sería la de su propio vapor y el líquido alcanzaría la máxima altura posible.

Qigura 2.

*a presi&n en o dentro del tubo y en a en la superficie del líquido es la misma. Es decir 

;o/;a. #i fuera despreciable la presi&n de vapor sobre la superficie del líquido en el tubo,

tendríamos, por la Ec. . P o "

γ 

 &$ " P a

#e emplea, por lo general el mercurio como líquido, porque su densidad es lo suficientemente elevada como para que pueda emplearse un tubo de longitud razonable y tambin porque su tensi&n de vapor saturado es despreciable a las temperaturas ordinarias. #i se usara agua, la altura del tubo resultaría inconveniente, y, dado que su presi&n de vapor a las temperaturas ordinarias es apreciable, sería imposible obtener un vacío perfecto en la parte superior de la columna. *a altura alcanzada por el agua sería, por lo tanto menor que la verdadera altura baromtrica y Iabría que aplicar una correcci&n a las lecturas. Con el fin de reducir al mínimo los errores de capilaridad, el diámetro del tubo debe ser por lo menos, de 2.< mm.

#eg)n se Ia dicIo, la presi&n baromtrica varía mucIo con la altitud, pero al nivel del mar  los valores normales de presi&n atmosfrica son:

,=55 +g1cm2_{, 6B= mm de Jg, =.55 m de agua.}

;resi&n absoluta / ;resion manomtrica T ;resi&n atmosfrica

!nidades inglesas !nidades metricas  atm / 7.6 psi

 atm / Columna de 57 pies de agua fría

 atm / .=25 bar  atm / =5 mbar  atm / Columna =.55 m de agua fría MATERIAL Y EQUIPO

•

omba de presi&n positiva y vacío

•

9an&metros de carátula

•

ar&metro digital

•

9an&metro de columna tipo !

•

9atraz +itazato con tap&n de Iule PROCEDIMIENTO

. >omar lectura de la presi&n atmosfrica y convertirla a mm de Jg.

2. Encender bomba y tomar lectura de la presi&n de vacío que se origina en un

matraz +itazato con tap&n de Iule. 4epresentar este valor en +;a. 5. Encontrar la presi&n absoluta en el matraz ";abs%.

7. Abrir válvula de agua en intercambiador de tubos concntricos y tomar la

presi&n del man&metro de carátula ";%. Convertir esta presi&n a pulgadas de agua

utilizando la f&rmula ;/

γ 

.I. Considere

γ 

/ N.R +1m5 _{o B2.7 *bf1ft}5_.

<. Cambiar el caudal que entra al intercambiador de calor, registrar la nueva

presi&n ";2% en *bf1ft2 y determina la presi&n absoluta ";abs2%.

B. >omar lectura de presi&n en man&metro de columna y convertirla a +;a.

6. 4egistrar en tabla los valores obtenidos.

*ectura Conversi&n ;resi&n baromtrica

;resi&n de vacío de la bomba

;abs

;resi&n  del man&metro de carátula

;resi&n 2 del man&metro de carátula

;abs2

;resi&n de man&metro de columna

EVALUA'I() I)DIVIDUAL . Anota los instrumentos de medici&n utilizados.

2. Explica la diferencia que Iay entre presi&n manomtrica y presi&n de vacío. 5. Explica la diferencia que Iay entre presi&n baromtrica y atmosfrica.

7. Escribe la presi&n atmosfrica al nivel del mar en Lgf 1cm2, psi y mm de Jg.

<. Cuál es el valor de la presi&n absoluta para la presi&n medida en el bar&metroD B. #i sabemos que la presi&n atmosfrica al nivel del mar es ;/ .=55 +gf 1cm2,

cuanto representa en metros de aguaD si sabemos que el peso específico

γ 

/  gr f 1cm5. ";/

γ 

.I%.

BIBLIOGRA%IA

Ittp:11---.geocties.com ;rincipios de $ngeniería uímica ";ropiedades básicas de los fluidos%.

PRÁCTICA N(. 7

OBJETIVO

El alumno comprobará que al variar la temperatura absoluta de un gas, tambin variará la presi&n y el volumen del gas.

INTRODUCCIÓN

9ucIas reacciones químicas están acompa'adas de formaci&n de gases u ocurren totalmente en el estado gaseoso. 9idiendo los parámetros del gas, tales como el volumen o la temperatura, se obtiene informaci&n acerca de la estequiometría de la reacci&n y de los cambios de energía que la acompa'an. *os parámetros del gas son: la densidad, la presi&n, el volumen y la temperatura. Estos parámetros no cambian independientemente, sino que están relacionados entre ellos y descritos cuantitativamente por la ley de los gases ideales. *a idea de los gases formados por peque'as partículas movindose al azar  en todas las posibles direcciones da la explicaci&n moderna de la ley de los gases ideales y es el fundamento de la >eoría Cintico 9olecular.

#e considera que un gas ideal presenta las siguientes características:

•

El n)mero de molculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas.

•

o Iay fuerza de atracci&n entre las molculas.

•

*as colisiones son perfectamente elásticas.

•

Evitando las temperaturas extremadamente ba(as y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como gases ideales.

Experimentos realizados con un gran numero de gases demuestran que se necesitan cuatro variables  para definir la condición física o estado de un gas: temperatura, presión, volumen y la cantidad del

gas, que suele expresarse como el número de moles. as ecuaciones que relacionan estas cuatro variables se conocen como leyes de los gases. a relación entre la presión y el volumen se conoce como ley de !oyle. "os dice que: el volumen de una cantidad determinada de gas que se mantiene a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión.

*a relaci&n entre la temperatura y el volumen se conoce como ley de CIarles y nos menciona que: el volumen de un cantidad fi(a de gas mantenida a presi&n constante es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

*a ley general de los gases ideales es el resultado de la uni&n de la ley de oyle y la ley de CIarles.

Cuando elevamos la temperatura de un gas, normalmente observamos que su volumen aumenta y esto va acompa'ado de un incremento en su presi&n. Este fen&meno se

expresa con la ecuaci&n #

# # $ $ $ T  V   p T  V   p =

MATERIAL MATERIAL

••

 frasco de plástico de cuello angosto frasco de plástico de cuello angosto

••

 globo de goma globo de goma

••

2 recipientes para ba'o maría2 recipientes para ba'o maría

••

 mecIero mecIero

••

 tripie tripie

••

 term&metro term&metro

••

CIispaCIispa

••

JieloJielo PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO .

. >>oome el frasco de pláme el frasco de plástico y adapstico y adapte firmete firmemente en el cuelmente en el cuello del reciplo del recipiente el gliente el globoobo de goma ligeramente inflado.

de goma ligeramente inflado. 2.

2. #umer(#umer(a totala totalmente el fmente el frasco en un barasco en un ba'o de agua muy ca'o de agua muy calientliente "con tempe "con temperatura deeratura de ebullici&n%.

ebullici&n%. 5.

5. PbPbseservrve el e el glglobobo.o. 7.

7. #umer(#umer(a aIora el a aIora el recipirecipiente en uente en un ba'o de agn ba'o de agua muy frua muy fría "mezcía "mezcla de agula de agua y Iieloa y Iielo%.%. <.

<. PbPbseservrve el e el glglobobo.o.

O0"!'1*i(n!": O0"!'1*i(n!":

lobo en ba'o caliente: lobo en ba'o caliente:

lobo en ba'o frío: lobo en ba'o frío:

EVALUACIÓN INDIVIDUAL EVALUACIÓN INDIVIDUAL

.

2.

2. u ou ocucurrirri& al & al vovolulumemen den del ail aire cre cuauando ndo se lse le cae calelentnt&D&D

55.. G G ccoon n lla a pprreessii&&nnDD

7.

7. ExplExplicica qua qu le s le sucucedede al ge al glolobo cbo cuauandndo se so se sumumererge ege en el fn el frírío.o.

BIBLIO*RAF+A BIBLIO*RAF+A 9áx

9áximo, A., . imo, A., . AlAlvarvarengaenga. . NNNNR.R. %&SICA GEN%&SICA GENERAL. C(n ERAL. C(n !8,!'!8,!'i$!n#i$!n#(" (" "!n*i"!n*i//(".//(". 77aa

edici&n. Editorial 9exicana.

edici&n. Editorial 9exicana. 9xico, 8.Q.9xico, 8.Q.

PRÁCTICA N(. 9

PRÁCTICA N(. 9

DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE PARTICULAR DEL AIRE

DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE PARTICULAR DEL AIRE

OBJETIVO OBJETIVO

8eterminar la constante particular del aire mediante la expansi&n del mismo, provocado por un 8eterminar la constante particular del aire mediante la expansi&n del mismo, provocado por un calentamiento, utilizando gases ideales.

calentamiento, utilizando gases ideales. INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

*as ecuaciones que relacionan las variables ;, @

*as ecuaciones que relacionan las variables ;, @ y > resultan de particular inters eny > resultan de particular inters en te

termrmododininámámicica. a. El El cocompmporortatamimienento to ; ; @ @ > > de de mumucIcIos os gagaseses s a a prpresesioionenes s baba(a(as s yy tempe

temperaturas raturas moderadmoderadas se puede modeas se puede modelar bastanlar bastante bien por medite bien por medio de lao de la ecuación deecuación de estado de gas ideal 

estado de gas ideal , esto es,, esto es,

;@ / n 4 ;@ / n 4!!>>

*a magnitud 4

*a magnitud 4!! es la es la *(n"#n#! uni1!'"/ d! /(" 4"!"*(n"#n#! uni1!'"/ d! /(" 4"!". *os valores de 4. *os valores de 4!! en varios en varios

con(untos de unidades son con(untos de unidades son

=.=R57

=.=R57 bar bar U U mm55 _{1 +mol U L 1 +mol U L}

4

4!! =.65= atm U ft=.65= atm U ft55 1 lbmol V4 1 lbmol V4

.NRB

.NRB tu tu 1 1 lbmol lbmol V4V4

*a ecuaci&n del gas ideal se utiliza con frecuencia con unidades de masa como +ilogramo *a ecuaci&n del gas ideal se utiliza con frecuencia con unidades de masa como +ilogramo o la libra, en lugar de +mol o la libra W mol . En estos casos, en la ecuaci&n del gas ideal se o la libra, en lugar de +mol o la libra W mol . En estos casos, en la ecuaci&n del gas ideal se emple

emplea unaa una *(n"#n#! !",!*+i* d!/ 4" R*(n"#n#! !",!*+i* d!/ 4" R en lugar del valor universal 4 en lugar del valor universal 4!!. 4ecurdese. 4ecurdese

que la masa de un mol de una sustancia recibe el nombre de

que la masa de un mol de una sustancia recibe el nombre de masa molar ,#masa molar ,# 8e esto se8e esto se obtiene que las constantes universal y específica del gas están relacionadas por 

obtiene que las constantes universal y específica del gas están relacionadas por  4 /

4 / 44!!

9 9

Como 4 depende de la masa molar de la sustancia, su valor es diferente para cada una, Como 4 depende de la masa molar de la sustancia, su valor es diferente para cada una, incluso si se expresa en las mismas unidades. *a constante específica del gas en +;a U m incluso si se expresa en las mismas unidades. *a constante específica del gas en +;a U m 55

1 +g U L para 5 sustancias comunes son: 1 +g U L para 5 sustancias comunes son:

#ustancia #ustancia R R -.-.Pa mPa m// _{0.g 12 0.g 12}  Aire  Aire =.2R6=.2R6  22 =.2N6=.2N6 CP CP22 =.RN=.RN

*as expresiones equivalentes de la ecuaci&n del gas ideal en base masa son: *as expresiones equivalentes de la ecuaci&n del gas ideal en base masa son:

;V  / m4> o ;v / 4! > / 4> o ; / X 4>

9

8onde v  es el volumen específico en base masa, X la densidad " masa por unidad de volumen %, y m es la masa del sistema. 4ecurdese que los moles n y la masa m están relacionados con la masa molar 9 mediante la relaci&n n / m19. ;&ngase mucIo cuidado para no olvidar que en la ecuaci&n de estado del gas ideal la temperatura se pone siempre en Lelvin o en grados 4an+ine.

MATERIAL Y EQUIPO

•

9atraz Erlenmeyer de <== ml

•

9ecIero

•

9an&metro diferencial de mercurio

•

>erm&metro de == ?C

•

>ap&n de Iule para matraz con 2 orificios

•

>ripie

•

>ela de asbesto

•

>ubo de vidrio de =.< cm de diámetro

•

9anguera de Iule

PROCEDIMIENTO

R. Colocar el tap&n de Iule en el matraz con el term&metro y conectar el man&metro diferencial como lo indica la figura .

N. Encender el mecIero a una llama media y calentar el matraz.

=.4ealizar mediciones de temperatura y presi&n e(ercidas por el aire dentro del matraz. . #ubir la flama del mecIero y volver a registrar los valores de temperatura y presi&n. 2.8eterminar la constante particular del aire.

Qigura . Arreglo de la práctica

TABLA DE RESULTADOS

BIBLIOGRA%&A

Kar+ LennetI H 4icIards 8onald. 2==. T!'$(din)$i*. #exta Edici&n. Editorial 9c ra- Jill. Espa'a.

$>#P. NN<. 9anual de >ermodinámica. Cd. Pbreg&n, #onora. 9xico.

PRÁCTICA N(. 

Corridas Temperat3ra Presi4n 'onstante del aire

150.g 61 

 2 5

DENSIDAD DE UN GAS

OBJETIVO

El alumno determinará la densidad de un gas utilizando tcnicas sencillas derivadas de la *ey de los ases $deales.

INTRODUCCIÓN

*os estados de agregaci&n de la materia son tres: el s&lido, el líquido y el gaseoso. El s&lido puede definirse como aquel en que los cuerpos poseen volumen definido y forma propia a cierta temperatura y presi&n. ;or otra parte un líquido posee un volumen definido pero no forma propia, mientas que un gas carece de ambas. *os líquidos y gases se denominan fluidos. !n líquido, en la medida que llene un recipiente adoptará la forma de ste, pero retendrá su volumen, mientras que un gas llenará siempre cualesquier  recipiente que lo contenga. El estado de agregaci&n de una sustancia esta determinado por la temperatura y presi&n ba(o la cual existe.

*os gases ideales obedecen las leyes de oyle o ay *ussac, las cuales combinadas entre sí nos llevan a la ecuaci&n general de los gases "ver ecuaci&n % la cual establece una relaci&n directa entre el volumen, temperatura, presi&n y el n)mero de moles de un gas.  PV = nRT  _{Ec3aci4n 7} 8onde: P  / ;resi&n V  / @olumen T  / >emperatura n / )mero de moles

El numero de moles de cualesquier sustancia se obtiene dividiendo la masa "m% de la misma entre su peso molecular ";9%.

n m PM  = % _{Ec3aci4n 8} 

El valor de R  en la ecuaci&n  se determina por el IecIo de que cualesquier gas ideal en condiciones estándar "=?C y  atm&sfera de presi&n%, ocupa un volumen de 22.75 litros y si sustituimos estos valores en la ecuaci&n  obtenemos que:

R " 9#9:89;  K   gmol 

l  atm

− −

*os gases reales se comportan como gases ideales solo a ba(as presiones y temperaturas elevadas. Estas condiciones provocan que las fuerzas de atracci&n entre las molculas sean peque'as y por lo tanto su comportamiento se aproxime a la idealidad.

*a ecuaci&n de los gases ideales es muy )til en los cálculos ingenieriles ya que nos permite estimar con una considerable aproximaci&n a la realidad de vol)menes, presiones o algunas propiedades intensivas de los gases reales tales como la densidad "

ρ

%.

v m % =

 ρ 

En el caso de las sustancias gaseosas, el valor de la densidad es directamente proporcional a la presi&n e inversamente proporcional a la temperatura, debido al cambio de volumen que sufren los gases cuando son sometidos a estos factores.

Cuando se determina la densidad de un gas por desplazamiento de agua, es necesario corregir el volumen colectado en la cuba Iidroneumática, seg)n las condiciones experimentales, para lo cual se utiliza la siguiente ecuaci&n:

V  Vc Pa Pv Ts  Ps Tc

=

&

−

'

8onde V  es el valor corregido del volumen del gas en condiciones estándar "Ps y Ts%Y Vc  es el volumen del gas colectado en la cuba Iidroneumática por desplazamiento de aguaY Pa es la presi&n atmosfrica en mm de JgY Pv  es la presi&n de vapor del agua en mm de Jg y Tc  es la temperatura en L del agua utilizada en la cuba Iidroneumática.

,ATERIAL< E=UIPO > REA'TIVOS

•

 soporte universal

•

 pinza para soporte

•

 mecIero de bunsen

•

 pinza para tubo de ensaye

•

 >ap&n de Iule monoIoradado para tubo de ensaye B x <= mm

•

 >ramo de 5= cm de tubo de vidrio

•

 ;robeta de 2<= ml

•

 >erm&metro de 3= a == VC

•

=.< gr de clorato de potasio "LClP5%

•

=. gr de bi&xido de manganeso "9nP2%

•

;izeta con agua destilada.

•

9anguera de Iule

•

4ecipiente para ba'o maría

•

Espátula

•

CIispa

PRO'EDI,IE)TO

. ;esar aproximadamente =.< gr de clorato de potasio seco en el tubo de ensaye,

mas =. gr de bi&xido de manganeso y pese de nuevo "registrar K%.

2. Efectuar el arreglo experimental de la figura , teniendo cuidado de no de(ar burbu(a de aire en la probeta.

(. )evisar las conexiones, comprobando que est*n +ermticamente cerradas.

-. alentar el tubo, primero suavemente y despus con mayor intensidad, permitiendo que el gas desprendido del tubo de reacción se descargue en la probeta colocada en la cuba

+idroneum*tica/ cuando observe que no +ay desprendimiento de burbu0as de gas retirar el tubo de desprendimiento de la cuba sin de0ar de calentar el tubo de ensaye.

<. 8esconectar el tap&n de Iule monoIoradado del tubo de ensaye y de(arlo enfriar  durante unos minutosY terminar de enfriarlo en el desecador y pesarlo cuando est a la temperatura ambiente "K2%.

B. Efectuar la lectura del volumen "@c% del gas desprendido y colectado en la probeta,

Qigura 

TABLA DE RESULTADOS ;E#P 8E* >!P 9A# #!#>AC$A# "K%:

;E#P 8E* >!P 9Z# 4E#$8!P "K2%:

@P*!9E 8E* A# CP*EC>A8P "@c%:

>E9;E4A>!4A 8E* A!A ">c%:

@P*!9E CP44E$8P 8E* A# "@%:

8E#$8A8 8E* A# 8E#;4E8$8P "

ρ

%:

 ASI*)A'I() 

. Escribir y balancear la reacci&n química producida por el calentamiento del clorato de potasio considerando que el bi&xido de manganeso se utiliza como catalizador.

2. Explicar c&mo se pueden medir la presi&n, temperatura y volumen para un gas de una manera práctica.

BIBLIOGRA%&A

$>#P. NNN. Mnu/ d! L0('#('i( d! %i"i*(u+$i* II. Cd. Pbreg&n, #onora. 9xico.

PRÁCTICA N(. ;

CALOR LATENTE DE %USIÓN

OBJETIVO

8eterminar el calor latente de fusi&n del Iielo mediante un balance de energía en un sistema termodinámico.

INTRODUCCIÓN

 Al efectuar el análisis de alg)n sistema termodinámico, necesariamente pensamos en una propiedad intensiva del sistema, como lo es la temperatura, ya que tiene una relevancia primordial que nos sirve como Ierramienta en el conocimiento de nuestro sistema. Así, es la temperatura capaz de definirnos por si misma el estado final de un sistema y los cambios que en l se suceden en forma de calor. ;or e(emplo: dos cuerpos con diferente temperatura al ser unidos tenderán al equilibrio trmico por la transmisi&n de calor del cuerpo de mayor temperatura Iacia el cuerpo de menor temperatura.

Consideremos un s&lidos cristalino que recibe calor, esta energía que el s&lido recibe ocasiona un aumento en la agitaci&n de los átomos en la red cristalina, es decir, produce una elevaci&n en la temperatura del cuerpo. Cuando la temperatura alcanza un valor

determinado, la agitaci&n trmica alcanza un grado de intensidad suficiente para desIacer la red cristalina. Entonces, la organizaci&n interna desaparece, la fuerza entre los átomos o molculas se vuelve menor, y por consiguiente, dicIas partículas tendrán una mayor libertad de movimiento. En otras palabras, al llegar a esta temperatura el cuerpo pasa al estado líquidoY es decir, se produce la ?3si4n del s&lido.

#i un cuerpo se encuentra a su temperatura de fusi&n es necesario proporcionarle calor para que se produzca su cambio de estado. *a cantidad de calor que debe suministrársele por unidad de masa, se denomina calor latente de fusión, el cual es característico de

cada sustancia. *os calores latentes tambin pueden medirse calorimtricamente. Existen valores experimentales para mucIas sustancias a diferentes temperaturas.

En general, cuando se transfiere energía calorífica a una sustancia, su temperatura se incrementa. o obstante, cuando el calor agregado "o el eliminado% ocasiona s&lo un cambio de fase, la temperatura de la sustancia no cambia. ;or e(emplo, si se agrega calor a una cantidad de Iielo a =

°

C ba(o cero, la temperatura del Iielo aumenta Iasta que llega a su punto de fusi&n de =

°

C. En este punto la adici&n de más calor no incrementa la

temperatura, sino que causa la fusi&n del Iielo, o sea el cambio de fase. !na vez que el Iielo est fundido, la adici&n de más calor causará que la temperatura del agua se eleve. !na situaci&n similar ocurre durante el cambio de fase de líquido a gas en el punto de ebullici&n. Agregar más calor al agua Iirviente s&lo causa más vaporizaci&n, no un

incremento de la temperatura. El calor latente para un cambio de fase de líquido a gas se denomina calor latente de vapori@aci4n.

#i Iacemos las mediciones correspondientes de temperatura durante cada uno de los pasos en un proceso donde se pretende efectuar un cambio de estado, el conocimiento de las mismas Iará posible que mediante un balance de calor podamos determinar el calor  latente seg)n el cambio físico de que se trate, considerando tambin los posibles cambios de calor de nuestro sistema.

MATERIAL

•

Calorímetro "vaso 8e-ar%

•

4ecipiente para ba'o maría

•

>ripie

•

>ela de asbesto

•

9ecIero

•

>erm&metro

•

@asos de precipitados de 2<= ml

•

alanza granataria

•

CIispa

•

Jielo

•

uante de asbesto PROCEDIMIENTO

. Colocar en el calorímetro cierta cantidad de agua caliente, midiendo su masa previamente "9%. Además mida la temperatura, esperando a que se alcance el equilibrio trmico ">i%.

2. Agregar Iielo y determinar su masa "m%. #e recomienda que la masa de Iielo sea cercana a 15 de la masa de agua en el calorímetro.

5. >apar el calorímetro y agitar suavemente.

7. Pbservar el descenso de temperatura Iasta que sta permanezca constanteY la cual será la temperatura de equilibrio ">e%.

<. 4ealizar el balance de calor y determinar el calor latente de fusi&n del Iielo. B. 4epetir el procedimiento con cantidades diferentes de agua caliente y de

Iielo, tambin conocidas, y determinar el calor latente de fusi&n del Iielo. 6. Comparar los resultados con el valor de tabla

BALANCE DE CALOR a3I T m3c 3 I3a 3 Jf / =

Jf / a3I T m3c 3 I3a

donde

λ

/ a3I T m3c 3 I3a

m 8A>P#:

>i/ >emperatura inicial del agua,

°

C >I/ >emperatura inicial del Iielo,

°

C 9/ 9asa del agua, gr 

m/ 9asa del Iielo, gr 

mc/ 9asa del calorímetro, gr  >e/ >emperatura de equilibrio,

°

C Cp calorímetro/ =.22 cal 1gr

°

C

a3I/ Calor cedido del agua al Iielo / 9Cp J2P">i3>e%

m3c/ Calor cedido de la mezcla al calorímetro / mCp calorímetro">i3>e%

I3a/ Calor absorbido por el Iielo / mCp Iielo">I3>e%

Jf / Calor absorbido por el Iielo para cambiar de estado /

λ •

 m

TABLA DE RESULTADOS

Calor latente de fusi&n

Corrida  Corrida 2 O0"!'1*i(n!" < C(n*/u"i-n:  [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ [[[[[[[[[[[[[[[[[[   [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ [[[[[[[[[[[[[[[[[[   [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ [[[[[[[[[[[[[[[[[[   [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ [[[[[[[[[[[[[[[[[[   [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ [[[[[[[[[[[[[[[[[[  BIBLIOGRA%&A

9áximo, A., . Alvarenga. NNR. %&SICA GENERAL. C(n !8,!'i$!n#(" "!n*i//(". 7a

edici&n. Editorial 9exicana. 9xico, 8.Q.

#mitI M.9., @an ess J.C., Abbott 9.9. 2==5. In#'(du**i-n  / T!'$(din)$i* !n In4!ni!'+ Qu+$i*. B\ Edici&n. 9c ra- Jill. 9xico.

Kilson Merry. NN6. %+"i*. #egunda Edici&n. ;rentice Jall Jispanoamericana. 9xico. $>#P. NN<. Mnu/ d! P')*#i*" d! L0('#('i( d! T!'$(din)$i*.  Cd Pbreg&n, #on. 9xico

PRÁCTICA N( =

CARACTER&STICAS Y OPERACIÓN DE LAS BOMBAS CENTR&%UGAS OBJETIVO

$dentificar los elementos que componen un equipo de bombeo y obtener la potencia máxima desarrollada por la bomba del laboratorio.

INTRODUCCIÓN

!na bomba centrífuga que se opera a velocidad constante puede suministrar cualquier  capacidad de cero a un máximo, dependiendo de la columna, dise'o y succi&n. *as curvas características muestran una relaci&n existente entre la columna de bomba, capacidad, potencia y eficiencia para un diámetro de impulsor específico y para un tama'o determinado de carcaza. *a curva de capacidad de columna, conocida como J, muestra la relaci&n entre la capacidad de columna total.

Cuando una bomba se opera a varias velocidades, puede dibu(arse una gráfica que muestre el comportamiento completo para una elevaci&n de succi&n dada. ;ara formar  este tipo de gráficas, las curvas J se trazan para las diferentes velocidades que se consideran. *uego se sobreponen las curvas que tienen la misma eficiencia. Estas curvas de eficiencia constante, llamadas tambin curvas de isoeficiencia, permiten encontrar la velocidad requerida y la eficiencia para cualesquiera de las condiciones de columna capacidad dentro de los límites de la gráfica.

MATERIALES Y EQUIPO

•

Cinta mtrica

•

>erm&metro de == ?C

Figura 1.- Red de flujo del LV-900 

PROCEDIMIENTO

#e integrarán dos equipos de traba(o los cuales realizarán cada uno de los siguientes puntos:

. Colocar el arreglo de las válvulas como se muestra en la figura .

2. >omar el nivel de agua en el tanque, considerando desde la tubería de succi&n Iacia arriba. Con este valor calcular la presi&n de la columna de agua, que será la presi&n de succi&n de la bomba%.

5. Encender la bomba y registrar lectura de man&metro ubicado en la descarga y la lectura del rotámetro.

1biert )ótametro 2al. # 1biert 1bierta !omba isterna

7. Abrir válvula 2 Iasta que la presi&n en el man&metro de descarga ba(e entre < y = ] y volver a tomar las lecturas.

<. 4epetir la misma operaci&n Iasta que llegue a tener la válvula totalmente abierta. B. 4egistrar informaci&n en la tabla 

TABLA 7# RESULTADOS ;4!E  A o. ; 1m2 _1m;2 2 _m5_{1I 9}J ;otencia_+K ;otencia_Ip  2 5 7 < B REPORTAR:

. @erifique las unidades de las siguientes expresiones. J ^/_ ";2 3 ;%1

ρ

g

;otencia ^/_

ρ

UJU

2. Completar la tabla o. Y para ello:

a% Calcule la carga manomtrica. J / ";2 3 ;%1

ρ

g

  donde:

;2:/ ;resi&n de salida

;:/ ;resi&n de entrada

ρ

:/ 8ensidad del agua g / ravedad / N.Rm1s2

b% Calcule la potencia ;otencia /

ρ

UJU1 5.B6= x=<  _"+K%

  donde:

J:/ Carga dinámica total "m% :/ Caudal "m5_1Ir%

5. raficar ;otencia vs Caudal.

7. 9encione que factores contribuyen a restarle potencia a una bomba centrífuga. BIBLIOGRA%&A

9cCabe K., #mitI M., Jarriot ;. 2==2. O,!'*i(n!" uni#'i" !n In4!ni!'+ Qu+$i*. Editorial 9c ra- Jill. #exta Edici&n. 9xico.

PRÁCTICA >

EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN SISTEMA DE BOMBEO

PME>$@P

Estimar la capacidad de bombeo requerida para una instalaci&n de flu(o de fluidos y compararla con la capacidad instalada.

$>4P8!CC$`

;ara que un fluido se transporta de un punto a otro en un conducto cerrado o en una tubería, es necesario contar con una fuerza impulsora. Algunas veces esta fuerza impulsora es la gravedadY pero por lo general, se requiere de un dispositivo mecánico como una bomba o un ventilador que suministre la energía necesaria para incrementar la energía mecánica del fluido y provocar su movimiento. Esta energía puede emplearse para aumentar la velocidad, la presi&n o el nivel del fluido entre dos puntos de una instalaci&n.

;ara poder estimar cualquiera de las dos situaciones se aplica la ecuaci&n general de energía modificada de tal forma que el fluido no cambia su temperatura.

Esta modificaci&n de la ecuaci&n general de energía se conoce como la ecuaci&n de bernoulli la cual se expresa de la siguiente manera:

η 

 ρ 

hf  

m

 P 

 P 

 Z 

 Z 

 g 

 g 

 g 

V 

V 

W 

C  C 













+

−

+

−

+

−

=

−

$ # $ # # $ # #

'

&

#

8onde:

K / ;otencia requerida en -atts

;, ;2 / ;resi&n en los puntos  y 2 en 1m2

2,  / ivel del líquido en los puntos  y 2 en m

/ 8ensidad del fluido en +g1m5

If / ;rdida de energía por fricci&n en (1+g m / flu(o másico en +g1s

/ Eficiencia del sistemaY aproximadamente =.R g / aceleraci&n de la gravedad N.R m1s2

gc / Constante gravitacional /  +g3m1 s2

,ATERIAL

•

4ed de flu(o del *@3N==

•

Cinta mtrica

•

>erm&metro de == ?C ;4PCE8$9$E>P

a% $ntegrar un equipo de < alumnos

b% #eleccionar una instalaci&n para el transporte de fluidos, localizada en el laboratorio, en un sitio que indique el instructor.

c% 4ecopilar la informaci&n que se muestra en la ecuaci&n y la potencia instalada de la bomba en operaci&nY si cuenta con ella.

d% Calcular, con base en la velocidad del fluido, el factor de fricci&n y las características de la tubería y accesorios, la prdida de carga por fricci&n.

e% ;roceder al cálculo de la potencia requerida. 4E;P4>A4

Elaborar un reporte que conste de los siguientes puntos: $>E4A>E# 8E* E!$;P:

MATR&CULA NOMBRE????????????????????????????????? . 2. 5. 7. < QECJA

8E#C4$;C$` 8E *A $#>A*AC$` $C*!GE8P 9E8$8A#, 9A>E4$A*E# G  ACCE#P4$P#

9E9P4$A 8E CZ*C!*P 8E CA8A !P 8E *P# E*E9E>P# 8E *A EC!AC$`

9E9P4$A 8E CZ*C!*P 8E CA8A !P 8E *P# E*E9E>P# 8E *A EC!AC$`. Cont.

8$#C!#$` 8E *A CP9;A4AC$` E>4E *A ;P>EC$A 4E!E4$8A E $#>A*A8A

CPC*!#$PE# G 4ECP9E8AC$PE#

$*$P4AQA

ean+oplis M.C. NNN. Procesos de transporte y operaciones unitarias. >ercera

PRÁCTICA N(. @

%UNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA COMO GENERADORA DE CALOR

OBJETIVO

Pbservar el procedimiento de encendido, operaci&n y apagado de la caldera del laboratorio de $ngeniería uímica.

INTRODUCCIÓN

!na caldera es un intercambiador de calor que produce vapor, el cual es utilizado con fines energticos. eneralmente una caldera consta de las siguientes partes: Jogar, quemadores de combustible, cámara de gases, purificador de vapor, recalentadores, atemperador.

Entre sus principales accesorios se encuentran: man&metro, nivelador de agua, reguladores de alimentaci&n, válvulas de seguridad, tapones fusibles, purgadores y equipo de control.

En la actualidad existe una gran variedad de formas y tipos de calderas debido principalmente al uso que se le da, a la forma y posici&n de los tubos dentro de ella y la posici&n relativa de los gases calientes de la combusti&n y del agua.

*a caldera del laboratorio se utiliza generalmente con fines experimentales tales como fuente de calor en el evaporador, intercambiador y en el autoclave.

EQUIPO

#e utilizará la caldera del laboratorio de $ngeniería uímica "*@ N==% que consta de las siguientes partes:

•

>anque de almacenamiento de agua.

•

;urificador de agua.

•

@álvula de alimentaci&n de agua.

•

@álvula de alimentaci&n de combustible.

•

@álvula de alimentaci&n de vapor.

•

Qog&n.

•

8omo acumulador.

•

@álvula de seguridad.

•

@álvula de purga del domo.

•

@álvula de purga del recirculador.

•

9edidores de presi&n.

•

CIimenea.

PROCEDIMIENTO

;ara el encendido se requieren de los siguientes pasos:

. Comprobar que las válvulas de seguridad estn en condiciones de operaci&n normales. 2. @erificar que el tanque de alimentaci&n de agua y el de combustible se encuentren en

un nivel aceptable.

5. @erificar que todas las válvulas se encuentren cerradas a excepci&n de la de alimentaci&n.

7. Abrir el interruptor de ignici&n.

<. Cerrar la válvula de recirculaci&n de combustible cuando se escucIe una se'al especifica "clic%, que indica que el nivel de agua en el domo es suficiente.

B. *a presi&n irá aumentando lentamente, es necesario verificar constantemente el nivel de agua en el domo para purgar si es necesario "se purga con la válvula de purga del domo%.

6. Abrir la válvula de alimentaci&n de vapor cuando se alcance la presi&n deseada. ;ara el apagado se siguen los siguientes pasos:

. Cerrar la válvula de combustible.

2. Abrir la válvula de recirculaci&n de combustible.

5. Abrir simultáneamente las válvulas de purga del domo y la de recirculaci&n. 7. Cerrar el interruptor del solenoide "apagarla%.

<. Cerrar la válvula de alimentaci&n del agua.

RECOMENDACIONES

. 4evisar siempre que encienda la caldera las válvulas de seguridad. 2. Comprobar que el nivel del agua en el domo sea el adecuado.

5. @erificar que los indicadores de presi&n estn en el intervalo de operaci&n adecuado.

REPORTAR

. 8escribir las características de la caldera del laboratorio.

2. $nvestigar en la industria local que tipo de calderas se utilizan, así como su uso y clasificaci&n.

C!E#>$PA4$P "$nvestigaci&n ;revia% @. Qu5 !" un */d!'

2. Cu)/!" "(n /(" #i,(" d! */d!'" u! "! ,u!d!n !n*(n#''

6. Cu)/!" "(n /4un(" d! /(" u"(" d! /" */d!'"

7. C-$( "! */"ii*n /" */d!'"

9. Ti,(" d! *($0u"#i0/!" u#i/id(" ,' / (,!'*i-n d! /" */d!'"

. In1!"#i4 /" $!did" d! "!4u'idd $+ni$" ,' / (,!'*i-n "!4u' d! un */d!'

$*$P4AQA

ITSON. @>>>. 9anual de *aboratorio de Pperaciones !nitarias $. Cd. O0'!4-nF S(n. M58i*(.

PRÁCTICA N(. @@

ECUACIÓN DE ENERG&A PARA UN SISTEMA ABIERTO

OBJETIVO

El alumno realizará un balance de energía para determinar la calidad del vapor producido por la caldera de laboratorio.

INTRODUCCIÓN

El vapor de agua es muy utilizado como agente de transmisi&n de calor debido a que no es t&xico, a su disponibilidad y por su elevado calor latente de vaporizaci&nY su uso varía desde la calefacci&n Iasta el aire acondicionado.

#e considera que existen tres tipos de vapor: I)medo, saturado y sobrecalentado.

El vapor I)medo es una mezcla de vapor y líquido y la calidad del vapor es el porcenta(e de vapor que existe en un vapor I)medo.

*a calidad del vapor se expresa de la siguiente manera:

 / ;eso del vapor seco "Ks% U == "%

;eso del vapor I)medo KI

;ara calcular la calidad del vapor, en esta práctica, se utiliza un recipiente aislado "calorímetro% conteniendo agua en su interior, al cual se le burbu(ea vapor proveniente de la calderaY por lo que en esta operaci&n Iabrá una transmisi&n de calor del vapor de agua, expresado mediante el siguiente balance de energía:

'alor cedido por el vapor " 'alor ganado por el ag3a

donde:

λ

Calor de vaporizaci&n a la presi&n "o temperatura% del vapor Lcal1Lg

KI ;eso del vapor I)medo Lg

J Entalpía del agua líquida antes del burbu(eo. Lcal1Lg

J2 Entalpía del agua líquida al final del burbu(eo. Lcal1Lg

J5 Entalpía del agua líquida a la temperatura del vapor. Lcal1Lg

Kagua ;eso del agua líquida antes del burbu(eo.

Lg

 A partir de la ecuaci&n "2% se despe(a el trmino Ks y se obtiene:

s " 

ag3a

- 

8 

   

7

 2  !- 

/

 

8 

 2G 0

λ 

-/2

9ientras se está burbu(eando vapor al calorímetro, ste irá aumentando de peso debido a la condensaci&n del vaporY por lo que se tiene que pesar el agua y el calorímetro antes del burbu(eo "K2% y despus del burbu(eo "K5%, siendo posible entonces conocer el peso del vapor I)medo "KI% de la siguiente forma:

! "  

/

   

8

-H2

Conociendo el valor del peso del vapor I)medo " !% se sustituye en la ecuaci&n "5% para obtener el valor de s y con ambos valores se podrá obtener el valor de la calidad del vapor con la ecuaci&n "%.

MATERIAL Y EQUIPO

•

 Cubeta de plástico de 2= litros de capacidad, con tapa, con dos orificios

•

 >erm&metro de == VC

•

 ;ar de guantes de asbesto

•

 careta protectora

•

Caldera.

PROCEDIMIENTO . Encender la caldera.

2. ;esar el calorímetro "cubeta con tapa% vacío K.

5. *lenar el calorímetro con agua suficiente para que el term&metro toque el agua y pueda registrar su temperatura.

7. ;esar el calorímetro con el agua K2.

<. 4egistrar la temperatura inicial del agua >.

B. ;urgar el aire de la línea de vapor.

6. Cuando solo salga vapor, introducir la manguera en el calorímetro por uno de los orificios de la tapa, para iniciar el burbu(eo. @er figura 

R. 8urante el burbu(eo tomar varias lecturas del man&metro para tener un promedio de ellas.

N. #uspender el burbu(eo cuando se Iaya obtenido aproximadamente  Lg de vapor "o antes de que empiece a salir vapor por el otro orificio%.

=.$nmediatamente anotar la temperatura final del agua >2.

. ;esar el calorímetro con el agua y el vapor condensado K5.

2.Apagar la caldera.

TABLA DE RESULTADOS K > J KI K2 >2 J2 Ks Kagua ;vapor  J5  K5 >vapor 

λ

EVALUACIÓN INDIVIDUAL

6. Cuál fue el valor de la calidad de vapor obtenidaD

R. u significa, físicamente, el resultado de calidad de vaporD

N. Cuáles son las causas por las que se tiene un vapor I)medoD

=.u tipo de vapor se obtiene en la caldera del laboratorioD

INVESTIGACIÓN PREVIA

. u significa vapor saturadoD

2. u significa vapor sobrecalentadoD

7. >raer tablas de vapor.

BIBLIOGRA%&A

#everns K. J., 8egler J.E., 9iles M.C. NN6. L ,'(du**i-n d! !n!'4+ $!din#! !/ 1,(' d! 4uF !/ i'! < /(" 4"!". uinta Edici&n. Editorial 4evert. 9xico.

9cCabe H #mitI. NN. O,!'*i(n!" 0)"i*" d! In4!ni!'+ Qu+$i*. Editorial 9cra-Jill. Cuarta Edici&n. arcelona, Espa'a.

PRÁCTICA N(. @2

CICLO DE POTENCIA

OBJETIVO

El alumno determinará algunas propiedades termodinámicas en los procesos que integran un ciclo de potencia así como la potencia producida por el mismo.

INTRODUCCIÓN

*a figura  ense'a un proceso de flu(o constante estacionario simple, en el cual el vapor  que genera una caldera se expande en una turbina adiabática para producir traba(o. *a corriente de descarga de la turbina pasa a un condensador, del cual se bombea adiabáticamente de regreso a la caldera. *a energía producida por la turbina es mucIo mayor que la que requiere la bomba, y la salida neta de energía es igual a la diferencia entre la rapidez de entrada y del calor en la caldera y la rapidez de desprendimiento

P/n# d! !n!'4+ d! 1,(' "i$,/! H%i4. @

*os procesos que suceden conforme el flu(o de traba(o circula alrededor del ciclo de la figura  se representa por líneas en el diagrama ># de la figura 2. *a secuencia de las

líneas que se exIiben conforman el ciclo de Carnot. Etapa  2 es el proceso de

vaporizaci&n que tiene lugar en la caldera, donde el agua líquida saturada absorbe calor a temperatura constante >J, y produce vapor saturado. *a etapa 2 5 es una expansi&n

adiabática reversible del vapor saturado en la regi&n de dos fases para producir una mezcla de líquido y vapor saturados en >C. Esta expansi&n isentr&pica se representa por 

una línea vertical. *a etapa 5 7 es un proceso parcial de condensaci&n donde el

calor se desecIa en >C. *a etapa 7  regresa el ciclo a su origen, lo cual produce

agua líquida saturada en el punto . Es un proceso de compresi&n isentr&pica representado por una línea vertical.

Ci*/( d! C'n(# H%i4 .2

El ciclo de la máquina de Carnot funciona de manera reversible y consta de dos etapas isotrmicas conectadas por dos etapas adiabáticas. En la etapa isotrmica en alta temperatura >J, el calor J se absorbe por el fluido de traba(o de la máquina, y en la

etapa isotrmica en ba(a temperatura >C, el calor C es desecIado por el fluido.

El traba(o generado es K / J 3 C y, la eficiencia en la máquina de Carnot es :

Claramente n se incrementa conforme >_J aumenta y >_C disminuye. A pesar de que las

eficiencias de las máquinas trmicas prácticas son reducidas por las irreversibilidades, es a)n verdadero que sus eficiencias se incrementan cuando se aumenta la temperatura promedio a la cual se absorbe el calor y cuando disminuye la temperatura promedio a la cual se disipa el calor.

*a potencia elctrica de la que se dispone en las viviendas y en la industria se obtiene

mediante un generador elctrico en una ,/n# d! ,(#!n*i d! 1,(' . El generador se

mueve mediante la potencia de salida desarrollada por una turbina de vapor. El traba(o de salida en el e(e de la turbina "o potencia ' se produce al expandirse vapor  sobrecalentado a alta presi&n y temperatura correspondiente al estado , de forma adiabática Iasta una presi&n ba(a "posiblemente menor que la presi&n atmosfrica% correspondiente al estado 2. A continuaci&n, el fluido pasa a presi&n constante por un cambiador de calor denominado condensador. El calor cedido q cond. modifica el estado del

fluido Iasta líquido saturado en el estado 5. 9ediante una bomba de traba(o de entrada Kbomba se comprime el fluido adiabáticamente Iasta la presi&n de entrada a la turbina,

llegando al estado 7. En este punto, el fluido se suele tomar como incompresible, y el proceso adiabático como isotermo. Qinalmente, se utiliza una caldera 3 sobrecalentador  "cambiador de calor% para elevar la temperatura del fluido Iasta el valor deseado de entrada en turbina a presi&n constante ";7 / ;%. El calor suministrado a la caldera se

obtiene de la combusti&n de carb&n o de gas natural o de una fuente nuclear.

*a ,(#!n*i !/5*#'i* instantánea desarrollada por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre los terminales y la corriente que pasa a travs

del dispositivo. Esto es, donde I  es el valor instantáneo o el promedio de

la corriente y V  es el valor instantáneo o el volta(e promedio. #i I está en amperio y V en voltios P  estará en -atts.

MATERIAL Y EQUIPO

•

;lanta piloto generadora de electricidad

•

Combustible "gas%

•

 Agua destilada para el dep&sito de la caldera

•

CIispa

PROCEDIMIENTO

. 4evisar el nivel del agua del dep&sito de la caldera.

2. Abrir la válvula de gas, regular el flu(o con el rotámetro a un valor aproximado de =.B l1min.

5. Encender quemador.

7. Abrir la válvula del agua de enfriamiento y regular a un valor aproximado de 7==

cm5_1min.

<. Esperar que se eleve la presi&n a 5 bar para enviar vapor a la turbina. B. Abrir completamente la válvula de alimentaci&n de vapor a la turbina. 6. Anotar la informaci&n solicitada en las tablas

R. 4epetir las mediciones, cerrando la válvula de alimentaci&n a la mitad

NO!N"L#$%R#

T2 : >emperatura del agua de alimentaci&n a la caldera

T6 : >emperatura del vapor de caldera

T7 : >emperatura del vapor en la entrada de la turbina

T9 : >emperatura a la salida de la turbina

T : >emperatura del agua de enfriamiento en la entrada del condensador 

T; : >emperatura del agua de enfriamiento en la salida del condensador 

T= : >emperatura del condensado

>A*A# 8E 4E#!*>A8P# T@ T2 T6 T7 T9 T T; T= Corrida 1 Corrida 2

C(n"u$id(' @ C(n"u$id(' 2 C(n"u$id(' 6 C(n"u$id(' 7

V I P V I P V I P V I P   Corrida 1 Corrida 2 EVALUACIÓN INDIVIDUAL

2.9enciona los elementos de la planta piloto.

5.8etermina la eficiencia del ciclo.

7.Compara las potencias obtenidas en las 2 corridas y anota tus observaciones.

BIBLIOGRA%&A

#mitI M. 9., @an ess J. C., Abbott 9. 9. 2==5. In#'(du**i-n  / #!'$(din)$i* !n in4!ni!'+ u+$i*. #exta Edici&n. Editorial 9cra- Jill $nteramericana. 9xico.

Kar+ H LennetI. 2==. T!'$(din)$i*. #exta Edici&n. Editorial 9c. ra- Jill. Espa'a.

 V 3igura $. iclo de 1)"45 P 467)E89" 9845;)691 E<71"89" 1=91>591 E<71"89" 9845;)691 ?a, 5a ?r, 5r  467)E89" 1=91>591 2 3 4

REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR 

OB5ETIVO

4ealizar y verificar los procesos que sigue una sustancia en un ciclo de Carnot invertido en un sistema de refrigeraci&n.

I)TRODU''I() 

El ciclo de Carnot constituye un estándar de comparaci&n para las máquinas y los ciclos reales, y tambin para otros ciclos ideales menos eficaces, lo que nos permite (uzgar qu posibilidad Iay para el me(oramiento de la eficiencia. !na diferencia demasiado grande entre las eficiencias reales e ideales se'ala a una investigaci&n para incrementar el rendimiento real.

El ciclo de Carnot consiste en cuatro procesos, dos isotrmicos y dos adiabáticos alternados, todos los procesos son ideales e interna, externa y extremadamente reversibles. *os procesos de expansi&n producirán el traba(o máximo y los procesos de comprensi&n requerirán el traba(o mínimo "ver figura %.

1

 V

3igura #. iclo de )E3)9@E)19" P 467)E89" 9845;)691 E<71"89" 1=91>591 E<71"89" 9845;)691 467)E89" 1=91>591 2 3 4 ?a, 5a

8e acuerdo a la figura los procesos 32 y 537 son isotrmicos, con la diferencia que el primero es una expansi&n y el segundo es una comprensi&n. ;ero para ambos es válida la simplificaci&n de la ecuaci&n general de gases ideales en procesos isotrmicos  PV = nRT 

 f    f   i iV   P V   P  = Ec3aci4n -72

;or otro lado los procesos 235 y 73 son procesos adiabáticos a diferencia que el primero es expansi&n y el segundo compresi&n. ;ara procesos adiabáticos tenemos:

γ   γ    f    f   i iV   P V   P  = _{Ec3aci4n -82} ' $ & ' $ & − − = γ   γ    f    f   i iV  T  V  T  _{Ec3aci4n -/2} γ   γ  −$

 

 

 

 



 

 

=

i  f   i  f    P   P  T  T  Ec3aci4n -H2 donde γ  = cp cv%

Cp / Capacidad calorífica a presi&n constante Cv / Capacidad calorífica a volumen constante

El ciclo de refrigeración es el ciclo de *'n(# in1!'#id(, el cual se indica en la figura 2.

El coeficiente de operaci&n o de economía "Cp% se expresa como la refrigeraci&n producida debido al traba(o necesario para producirlo.

3igura (. Equipo de refrigeración. Qa Qr MANÓMETRO MANÓMETRO CONDENSADOR  VENTILADOR  DESIDRATADOR  COMPRESOR  CONTROL TUO CAPILAR  EVAPORADOR  3 4 1 2 neto a  p W  Q C  =

En base al ciclo inverso de Carnot "ideal% W  Q_a  aparece como: a r  a  p T  T  T  C  − = E=UIPO

Carrier trainer que incluye:

 Condensador 

 Evaporador para el sistema adecuado

 #erpentín

 $ndicador de líquido

 8esIidratador 

 Control

 Compresor 

 Con(unto de man&metros con mangueras  *íquido refrigerante Qre&n3

EPERIMENTO

El equipo de 4efrigeraci&n cuenta con indicadores de presi&n y temperatura en la entrada y salida de cada uno de los puntos de proceso. @er figura 5.