Informe Olla de Presion

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA 7M.2

CALOR SENSIBLE EN SISTEMAS CERRADOS A PRESION

Henrry Torres Quito, 02 – 07 - 2013

Índice: OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 4 CALOR .................................................................................................................................................

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PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS) ..................................... 10 CALCULOS CON LA TABLA 1: ...................................................................................................... 24 CALCULOS CON LA TABLA 2: ...................................................................................................... 36 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:................................................................................. 48 BIBLIOGRAFIA: ............................................................................................................................... 49

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Índice: OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 4 CALOR .................................................................................................................................................

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PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS) ..................................... 10 CALCULOS CON LA TABLA 1: ...................................................................................................... 24 CALCULOS CON LA TABLA 2: ...................................................................................................... 36 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:................................................................................. 48 BIBLIOGRAFIA: ............................................................................................................................... 49

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OBJETIVO GENERAL Analizar un proceso en un sistema cerrado abierto a la atmosfera de manera experimental mediante una práctica de laboratorio.

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Conocer en funcionamiento de una olla de presión así como también sus partes  principales.

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Con los datos obtenidos y registrados calcular el calor sensible trasferido a la olla.

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Analizar los datos y resultados obtenidos de la práctica mediante las curvas de calor vs temperatura, calor vs presión etc.

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INTRODUCCIÓN Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es  positiva). La cantidad de calor (cedida uno al otro) puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada mediante la letra Q. Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de un cuerpo a otro (se le conocía como calórico). Hoy se sabe que el calor es una onda electromagnética (posee la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la vibración de los electrones de los átomos que forman el sistema.

Si el calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de energía puede ser  una unidad de calor. El tamaño relativo de las "unidades de calor" y las "unidades mecánicas" puede encontrarse a partir de los experimentos en los cuales una cantidad conocida de energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema (recipiente de agua,  por ejemplo). Del aumento de temperatura medido puede calcularse cuanto calor (en calorías) tendremos que añadir a la muestra de agua para producir el mismo efecto. De esa manera puede calcularse la relación entre Joule. En Manchester, Inglaterra, durante la década de 1840, James P. Joule (1818  –  1889) Realizó una serie experimentos en recipientes aislados, colocando en ellos cantidades conocidas de agua, aceite y mercurio. El aparato que utilizó originalmente tenía unas  pesas, y que al caer, hacían girar un conjunto de paletas sumergidas en agua. La pérdida de energía mecánica (debido al rozamiento) se calculaba conociendo las pesas y las alturas de las cuales caían. La energía calorífica equivalente era determinada a través de la masa de agua y su aumento de temperatura. Así, Joule demostró que existe una 4

relación cuantitativa entre calor y trabajo, y que el calor es una forma de energía. Los resultados numéricos obtenidos fueron: 1 kcal = 1000 cal = 4186 joules.

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CALOR  Calor, Q, es una forma de transporte de energía (energía térmica) entre dos sistemas

“ 

que están a distinta temperatura, por lo tanto está asociada a un proceso. El proceso microscópico por el que ocurre esta transferencia es simple aunque muy complejo de describir matemáticamente. 1 ”

El que dos sistemas tengan distinta temperatura significa que las partículas (átomos y/o moléculas) tienen distinta energía cinética media. En el de mayor temperatura las  partículas se moverán en promedio con mayores velocidades que en el de menor  temperatura. Si se los sistemas se ponen en contacto a través de una pared lo que ocurrirá es que las partículas que choquen con ella intercambiarán su energía de la misma forma que en un choque elástico de dos masas con distinta energía cinética. De esta forma "poco a poco" un sistema irá perdiendo energía cinética y el otro ganándola (conservación de la energía) o lo que es lo mismo uno irá bajando su temperatura y el otro subiéndola hasta que estas se igualen. En este momento se ha llegado al equilibrio "térmico". Este es un equilibrio dinámico desde el punto de vista microscópico, es decir  seguirán intercambiándose energía cinética a través de la pared cada vez que lleguen  partículas a ella, pero estos cambios se compensan en promedio. En realidad el proceso es algo más complicado pero es esencialmente el mismo: la pared tiene un papel intermediario entre los sistemas llevando energía térmica por choques de las partículas de cada sistema con las de la pared, luego entre estas y finalmente estas con las del otro sistema. Tal como está definido el calor no hay duda de que para que exista debe existir una diferencia de temperatura y por lo tanto NO tiene ningún sentido asignar calor a un estado termodinámico de equilibrio. Una pared que impida el paso de energía térmica es una pared aislante y que llamaremos también pared adiabática. Un proceso donde no hay calor transferencia de energía térmica, lo llamamos adiabático. A nivel molecular es prácticamente imposible describir con expresiones matemáticas los detalles de la transferencia de energía térmica, sin embargo macroscópicamente acaba 1

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gnavascu/TERMOTECNIA_10_11/BlaBla_3_1aLeyCerrados.pdf 

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siendo elemental: sólo usamos una variable, Q, para representar la cantidad de energía térmica que pasa de un sistema a otro. Con du cti vi dad té r mi ca 

Aunque todos los materiales son capaces de transferir energía térmica está claro que, cuantas más partículas participen en choques con las vecinas, mayor conductividad térmica mostrará un sistema, más rápidamente se producirá el intercambio de energía. Así los sistemas densos, sólidos y líquidos, tendrán mayor capacidad de conducción del calor que los gases. Por otra parte los metales y los fluidos ionizados, además de sus átomos ionizados, disponen de electrones aumentando el número de partículas capaces de transferir la energía térmica (y también carga). La rigidez del sólido también favorece la conducción ya que se transmite cualquier movimiento con mayor facilidad, el diamante es una de los mejores conductores del calor. Los aislantes usuales son sólidos  poco rígidos: blandos. La variable que caracteriza la capacidad de conducción térmica se

llama conductividad térmica κ y se define a través de la relación: Flujo de calor = - κ A dT/dx (ley de Fourier). Que relaciona el flujo de calor Q, energía térmica, por unidad de tiempo que atraviesa una superficie de área A de un material de espesor dx con una diferencia de temperatura dT entre sus extremos. La ley de Fourier se puede rescribir como: dQ/dt = - κ A dT/dx. Donde dQ no es una diferencia entre dos valores muy próximos como puede serlo dt, dT o dx (diferencia entre dos tiempos, dos temperaturas dos posiciones muy próximas respectivamente), sino simplemente una cantidad de calor muy pequeña (nunca una diferencia). Esta expresión nos dice que a mayor dT, mayor A y menor dx, mayor es la transferencia de calor, dQ, por unidad de tiempo, de acuerdo con la intuición. De la ley de Fourier se obtiene que las unidades de la constante k son julio/segundo-metro-Kelvin = Watios/metro-Kelvin. k varía mucho de un sistema a otro: entre el diamante y el aire k varía seis órdenes de magnitud. (k(diamante)=2300W/mK, k(aire)=0.026W/mK).

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Observe que esta ley es análoga a la Ley de Ohm y a la Ley de Fick. En efecto la corriente eléctrica es (ahora Q ser la carga):

IQ= dQ/dt = dV/R = dV / (dx / σ A) = σ A dV/dx, Donde σ es la conductividad eléctrica y V el potencial. La corriente de partículas (difusión) es IN= dN/dt =- D A dC/dx, Donde D es el coeficiente de difusión. En todas estas expresiones hay una causa (diferencia de temperatura, de potencial o de concentración entre dos puntos distantes dx) que genera un transporte (energía, carga o partículas) y donde se supone que la causa no es demasiado fuerte para poder establecer una simple relación lineal entre ella y el efecto. Convección 

Hay otra manera de transportar energía térmica que resulta del movimiento interno de  partes del sistema que simultáneamente está intercambiando calor con otro sistema de diferente temperatura. El ejemplo más claro es la transferencia de energía térmica que se  produce desde una superficie caliente al aire que le rodea; este se calienta, se dilata y desplaza al aire más frío que está a una mayor altura. En el desplazamiento va intercambiando energía térmica con el aire más frío. El resultado es una corriente ascendente de aire desde la superficie caliente hasta una cierta altura donde el aire está a una temperatura inferior. A la vez existe otra corriente de aire frío, de más baja temperatura, desde lo alto hasta la superficie. Estas corrientes se llaman de convección. Un gradiente de temperatura acaba estableciéndose en la columna de aire (se supone que la parte alta del aire es un sumidero de energía para poder llegar al estado estacionario). El mismo caso es el de la ebullición del agua en un recipiente: las burbujas formadas en la parte inferior van intercambiando calor con el agua más fría. La convección puede forzarse por cualquier procedimiento que aumente el desplazamiento del sistema intercambiador de energía. En los ejemplos mencionados  podría ser un ventilador y un agitador respectivamente. La tasa de enfriamiento por  8

convección fue estudiada por Newton quien propuso la variación de calor por  convección puede aproximarse a (en contraste con la ley de Fourier, la de Newton es empírica): dQ/dt = h A (TS - TF), (Ley de enfriamiento de Newton), Donde h es el coeficiente de convección, A es el área de la superficie caliente, TS es su temperatura y TF es la del fluido suficientemente alejado de la superficie. h es una variable empírica que depende de un buen número de circunstancias (tipo de fluido, su velocidad, la geometría del sistema entre otras). La ley de enfriamiento no tiene una base microscópica que la justifique, así que es una cuación obtenida exclusivamente de la observación. Las unidades de h deben ser W/m2 K. La convección puede ser forzada o no (libre) dependiendo de si existe un mecanismo adicional (por ejemplo un ventilador) que refuerce la transmisión de calor; la constante h debe ser necesariamente diferente si existe este mecanismo.

Radiación 

Todos los cuerpos por el mero hecho de tener temperatura emiten radiación electromagnética (EM) y por tanto pierden energía. La física estadística demuestra que la potencia perdida (energía por unidad de tiempo) está dada por:

P = ε σ A T4, (Ley de Stefan-Boltzmann) Donde A es el área de la superficie del cuerpo, T la temperatura absoluta del cuerpo y σ es la constante universal de Stefan-Boltzmann (σ= 5.67x10-8 W/(m2K4)). ε, emitancia, es una constante que depende de cada cuerpo y su valor está comprendido entre cero y uno. Simultáneamente a la emisión EM, todos los cuerpos absorben radiación EM de los cuerpos que les rodean. La energía recibida por unidad de tiempo, potencia, sigue una ley semejante a la de emisión:

P = α σ A T4 Donde ahora α es el coeficiente de absorción, absortancia, cuyo valor vuelve a estar 

entre cero y uno y T la temperatura del cuerpo emisor. Usualmente ε tiene un valor muy  parecido a α como ε dependen incluso de la frecuencia de la radiación EM). El balance

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de energía del intercambio de energía EM puede escribir de forma aproximada, con la

aproximación a ≈ε, como, P = ε σ A (TS4 – T alrededores 4). El caso en el que ε=α=1 es el del llamado cuerpo negro.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS) Si un sistema es cerrado (no hay tiene intercambio de energía con el resto del universo, los alrededores) cualquier pequeño cambio de energía interna, dU, del sistema es debido al balance de la transferencia de calor, dQ, y el trabajo realizado, dW, por o sobre el sistema. Esta sentencia no describe sino la conservación de la energía. Hay un convenio, artificial y confuso, para poner signo a las variaciones de energía. Naturalmente nadie discute que dU>0 si el sistema aumenta su energía en un proceso termodinámico y naturalmente el resto del universo pierde la misma cantidad de energía. Pero el trabajo, W, y el calor, Q, es un intercambio de energía que gana (o pierde) una de las partes, sistema o resto del universo, y por lo tanto pierde (o gana) la otra. ¿Qué signo ponemos a Q y W? Siempre estamos interesados en las propiedades del sistema y normalmente lo miramos todo desde el punto de vista del sistema así que, si no hay trabajo, escribimos dU=dQ indicando que cuando dQ>0 el sistema recibe energía (térmica) y debe aumentar   por tanto su energía interna y cuando dQ