Práctica 1 Ciclo Carnot

 

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR  FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA II

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA II  PRÁCTICA N° 1 CICLO DE CARNOT Nombre: Katherin Michelle Siza Latacumba Semestre: Cuarto Paralelo: 2 Profesor: Ing. Gonzalo Chiriboga Fecha de Entrega: 20-10-2018

Quito – Ecuador 2018-2019 1

 

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RESUMEN Descripción de procesos termodinámicos con diferentes constantes y de un cicl cicloo id idea eall me medi dian ante te la si simu mula laci ción ón en un soft softwa ware re info inform rmát átic ico, o, las las  propiedades de este ciclo llamado Carnot y de los procesos termodinámicos se experimenta experimentaron ron a partir de la resol resolució uciónn de ejerc ejercicios icios en el programa EES, que es un programa que permitió introducir datos de estado de la sustancia, tipo de proceso y unidades que se necesitó establecer , se obtuvo valores de dichas propiedades de estado que describían cada punto de los diferentes procesos, también se originó datos de propiedades de trayectoria como lo lo son el ttrabaj rabajoo y calo calorr parci parcial al y total total,, con tod todos os est estos os val valores ores adquiridos el software los representó en gráficas P-V y T-S. Determinando que la efi eficie cienci nciaa térmic térmicaa máx máxima ima de un pro proces cesoo ter termod modiná inámic micoo es la obtenida de la simulación de un ciclo ideal siendo este el ciclo Carnot.

DESCRIPTORES: PROCESO_TERMODINÁMICO/SOFTWARE_INFORMÁTICO/PROPIEDADES_  DE_ESTADO/CICLO_IDEAL/SIMULACIÓN_CICLO_DE_CARNOT.

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PRÁCTICA # 1 CICLO DE CARNOT 1. OBJE OBJETI TIVO VO 1.1. Describir los procesos Isobáricos, Isotérmicos, Isocóricos y Adiabáticos. 1.2. Construir mediante simulación un ciclo de Carnot y analizar las propiedades termodinámicas involucradas en el mismo. 2. TEO TEORÍA RÍA 2.1. Proceso Isobárico Se denomina al proceso de carácter termodinámico que ocurre a presión constante, el trabajo realizado en un proceso isobárico de un gas ideal se expresa con la siguiente ecuación: (Cengel, Boles, 2008). 2

∫

 

W =  P dV  1

(1) 2

W = P0

∫ dV  1

W = P0 ( V 2−V 1 )

2.2. Proceso Isotérmico Se denomina proceso isotérmico al cambio reversible en un sistema termodinámico en el cual cual la tem tempera peratur turaa perm permanec anecee con consta stante nte,, Es un proceso termodinámico, el trabajo efectuado por un gas ideal a temperatura constante se expresa de la siguiente manera (Cengel, Boles, 2008).  

 PV =mRTo =C , P=

C  V 

(2) 2

2

∫

∫

1

1

W =  P dV =

2

V  V  C    dV   = =C  dV   =C ln 2 = P1 V 1 ln 2 V 1 V  V 1 V  1

∫

2.3.

Proceso Isocórico Es un proceso de compresión por el cual el volumen de un gas permanece constante  pero la presión y la temperatura varían. Es Esto to quiere decir que el sistema no recibe ni ni ejerce trabajo, si la variación de volumen es 0, el trabajo también será 0 , se caracteriza por no realizar trabajo de frontera, es decir, el trabajo de frontera realizado 3

 

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durante este proceso siempre es cero, esto se puede evidenciar en el diagrama P-V del  proceso porque el área bajo bajo su curva es cero (Cengel, Boles, Boles, 2008). 2

 

∫

W =  P dV =0 1

(3)

2.4. Proceso Adiabático Se considera proceso adiabático al proceso en el cual el sistema se encuentra aislado, no recibe ni entrega calor al entorno, entorno, es decir es aquel en el que no se permite el flujo de calor hacia el sistema o desde el: Q = 0. Esta situación se puede presentar cuando el sistema está extremadamente bien aislado, o cuando el proceso ocurre tan rápido que el calor no tiene tiempo de fluir hacia adentro o hacia afuera. Como el calor es igual a cero, se tiene que UΔ=−W . (Cengel, Boles, 2008)

2.5.

Ciclo de Carnot

Es el ciclo ideal con mayor eficiencia, este ciclo perfecto constituye un estándar de comparación para las máquinas y los ciclos reales, también para otros ciclos ideales menos eficac eficaces, es, lo que nos pe permi rmite te juz juzgar gar que posib posibili ilidad dad hay par paraa el mej mejora oramie miento nto de la eficiencia. El mecanismo por el cual se lleva a cabo el ciclo de Carnot, consiste en dos  procesos isotérmicos y dos isotrópicos, su grafica en el plano TS para cualquier sustancia de trabajo. La característica significativa de todos los ciclos reversibles, a saber, que todos los procesos son exteriores, así como interiormente reversibles. Se conforma por cuatro  procesos reversibles, 1-2 expansión isotérmica reversible, 2-3 expansión adiabática reversibl rever sible, e, 3-4 compr compresió esiónn isot isotérmica érmica revers reversible, ible, 4-1 compr compresión esión adiab adiabática ática rever reversibl siblee (Cengel, Boles, 2008)

Figura 2.9-1 Descripción Ciclo Carnot, recuperada de Termodinámica, Termodinámica, Cengel, 2009. 4

 

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2.6.

Ciclo de Carnot Inverso

2.7.

Máquina Térmica de Carnot

2.8.

Eficiencia Térmica

Representa la magnitud de la energía que se desperdicia con la finalidad de completar el ciclo. Pero Qsalida nunca es cero; de esta manera, la salida neta de trabajo de una máquina térmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, solo parte del calor transferido a la máquina térmica se convierte en trabajo. La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica llamada eficiencia térmica (Cengel, Boles, 2008).

 

nter =

 W neto,salida Qentrada

(4)

2.9.

Ciclos reversibles e irreversibles

Ciclos Reversibles Se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Es decir, tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el  proceso inverso. Esto es posible posible sólo si el intercambio de de calor y trabajo netos entre el sistema sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado es decir el original e inverso (Cengel, Boles, 2008). Ciclos Irreversibles Se define como procesos reales o naturales los cuales son afectados por algunos factores llamados irreversibilidades, los cuales son la fricción, la expansión libre, el mezclado de dos fluidos, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. LA presencia de cualquiera de estos efectos hace que un proceso sea irreversible (Cengel, Boles, 2008).

3. PARTE PARTE E EXPE XPERIM RIMENT ENTAL AL 3.1. Materiales y equipos 3.1.1. Computadora 5

 

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3.1.2. Paquete informático EES 3.1.3. Calculadora 3.2. Procedimiento 3.2.1. Instalar el paquete informático EES 3.2.2. Con la ayuda del instructor, realizar el siguiente ejercicio: Un motor de Carnot opera con aire, utilizando el ciclo que se muestra a continuación. Determine la eficiencia térmica y la salida de trabajo para cada ciclo de operación.

3.2.3. Resolver los siguientes ejercicios con la ayuda del paquete EES a) Una uni unidad dad de refr refrige igeraci ración ón rever reversibl siblee se usa para enfriar enfriar un espaci espacioo a 5°C transfiriendo calor a los alrededores que están a 25°C. La misma unidad se usa para enfriar el espacio a -20°C. Estime la velocidad de enfriamiento para la segunda condición si la tasa de enfriamiento para la  primera es de 5 toneladas.  b) Un motor Carnot funciona en el aire con el ciclo que se muestra en la imagen. Si hay 30 kJ / kg de calor agregado del depósito de alta temperatura mantenido a 200 "C, determine el trabajo producido.

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4. DATOS 4.1. Datos experimentales Agregar captura de pantalla de los datos ingresados en la ventana de ecuaciones del simulador EES. (Ver Anexo……) 5. RESUL RESULTA TADO DOS S Agregarr captur Agrega capturaa de pantalla de los resultados resultados obtenidos en el simulador simulador EES. (Ver  Anexo……) 6. DISC DISCUS USIÓ IÓN N El método utilizado para la práctica fue válido cuantitativamente debido a que se pudo resolver los ejercicios planteados obteniendo resultados sin problema de propiedades punto y trayectoria que representaron el proceso que se estaba ejecutando en la simulación y cualitativamente como se  puede observar en las gráficas P-V y T-S que fueron originadas en cada ejercicio, esto fue posible gracias a la utilización de un paquete paquete informático denominado denominado EES que fue creado para fines de simulación de procesos termodinámicos, pero la utilización de un paquete informático de este tipo no quita la existencia de errores aleatorios, debido a que el estudiante debe dominar por completo la teoría previamente antes de realizar la práctica para poder ingresar correctamente los datos en el software softw are util utilizado izado para estab establecer lecer condicio condiciones nes necesaria necesariass y que pued puedan an prod producirs ucirsee los dato datoss esperados sin mayor complicación. 7

 

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Se recomienda para las posteriores prácticas que el estudiante realice un repaso adecuado de la teoría y fórmulas que se vayan a utilizar para así evitar demoras en la realización del programa de simulación.

7. CONC CONCLU LUSI SION ONES ES 7.1.

La eficiencia térmica que ofrece un ciclo Carnot es la eficiencia máxima que se  puede obtener de una máquina térmica, es por esto que dicha eficiencia se utiliza como re refe fere renc ncia ia para para la me mejo jora ra y op opti timi miza zaci ción ón de pr proc oces esos os exis existe tent ntes es en má máqu quin inas as termodinámicas.

7.2.

El ciclo de Carnot, a pesar de ser un ciclo ideal e imposible de crear, no tiene una eficie eficienci nciaa del 100 100% % lo que com compru prueba eba que el enu enunci nciado ado de Kel Kelvin vin Pla Planck nck des descri cribe be claramente los límites que tiene una máquina termodinámica real.

7.3.

Se demuestra que la energía interna en un ciclo Carnot es cero, debido a que tienes dos procesos isotérmicos y su energía interna es cero porque esta propiedad está en función de la temperatura y en los procesos de compresión y expansión adiabáticos sus energías internas se eliminan, demostrando que esta propiedad de estado regresa a su estado inicial, completando el ciclo Carnot.

7.4.

En una térmica real su eficiencia se puede maximizar al suministrar calor hacia la máquina a la temperatura máxima posible y al rechazar calor de la máquina a la menor  temperatura posible, limitada por la temperatura del medio ambiente.

8. REFERE REF NCIA A BIB BIBLIO LIOGRÁ GRÁFICA FICA 8.1. ERENCI Bibliografía Cenge gel, l, Y., Bol Boles, es, M., TER TERMOD MODINÁ INÁAMI AMICA, CA, Sex Sexta ta edi edició ción, n, Mc Gra Graw w Hil Hill, l, 8.1.1. Cen México, 2008 8.1.2.  Felder, R., Rousseau, R., PRINCIPIOS ELEMENTALES DE LOS PROCESOS QUÍMICOS, Tercera Edición, Limusa Wiley, México, 2004. 8.2. Citas Bibliográficas 8.2.1. Cengel Yunus, Boles Michael , TERMODINÁMICA, Sexta Edición, Mc Graw Hill, México, 2008 8.2.2.   Feld Felder er Richard Richard,, Roussea Rousseauu Ronald Ronald,, PRINCIPIO PRINCIPIOS S ELEMEN ELEMENTALE TALES S DE LOS PROCESOS QUÍMICOS, Tercera Edición, Limusa Wiley, México, 2004.

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9. ANEXOS 10. CU CUES ESTI TION ONAR ARIO IO 10.1. Determine cada uno de los procesos de un Ciclo Carnot, realice un balance de energía y deduzca las fórmulas para calcular el trabajo en cada uno de ellos. Utilice los diagramas T-S, P-V y grafique los procesos en sistemas cilindro-pistón cilindro-pistón..

10.2. Consulte las diferencias entre el Ciclo de Carnot, Ciclo de Carnot Inverso y Ciclo de Refrigeración Real. Realice los respectivos balances de energía de cada uno de los casos y grafíquelos en un diagrama P-V y P-H. 10.3. La máquina de Carnot es reversible y está en equilibrio térmico con la fuente y el sumidero durante los procesos de adición y rechazo de calor, respectivamente. Es ¿ ¿ deci decir, r, se supo supone ne que T  H =T  H   y T  L =T  L, de modo que no hay irreversibilidad externa. En este caso, la eficiencia térmica de la máquina de Carnot es  nC =1−

 T  L

.

T  H 

Sin embargo, se debe mantener una diferencia razonable de temperaturas entre los dos medios involucrados en transferencia de calor con objeto de tener una tasa aceptable de transferencia de calor a través de un área finita de superficie de intercambiador de calor. Las tasas de transferencia de calor se pueden expresar  ¿ como: Q˙  H =(hA ) H ∗( T  H −T  H ) ˙  L=( hA ) L∗( T  L −T  L¿ ) Q Donde h y A son el coeficiente de transferencia de calor y el área de superficie de transferencia de calor, respectivamente, demuestre que la producción de potencia será máxima cuando: ¿

1

T ¿ L  = T  L T  H  T  H 

( )

2

También demuestre que la producción neta de potencia máxima en este caso es:

( (  ) )

 T    (hA ) H ∗T  H  ˙ c , m a x= ∗ 1−  L W  T  H  1 +( hA ) H  / ( hA ) L

Fuente de Calor, TH, QH 9

1 2

2

 

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¿

T  H 

 

Máquina w˙ sale, neto térmica ¿

T  L

Sumidero Térmico, TL, QL 10.4. Consultar Consultar los siguientes siguientes temas y sacar una pequeña conclusión: conclusión: a) La naturaleza del calor, b) La conservación del fuego, d) La conservación del calor, e) La teoría del calórico. calórico. De cada uno de los temas temas,, explicar por qué se volvieron volvieron obsole obsoletas tas en el desarrollo de la termodinámica.

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ANEXOS

 Nombre

Fecha

Dibuja: Revisa: 11 Escala:

Universidad Central del Ecuador 

Facultad de Ingeniería Química Laboratorio de Termodinámica II

TEMA: 

Lámina: