View
782
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
INDICE
1. Introducción.....................................................................2
CALDERO MARCET
2. Objetivo..........................................................................3
3. Fundamento teórico.........................................................3
4. Aparatos uti l izados..........................................................6
5. Procedimiento.................................................................7
6. Cálculos y curvas............................................................8
CALORÍMETRO UNIVERSAL
7. Objetivo..........................................................................12
8. Fundamento teórico..........................................................12
9. Aparatos uti l izados..........................................................14
10. Procedimiento............................................................15
11. Cálculos y curvas........................................................16
12. Observaciones, conclusiones y recomendaciones...........17
13. Bibliografía..................................................................18
14. Apéndice......................................................................19
UNI/FIM 1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
1. INTRODUCCIÓN
Es muy importante conocer la calidad del vapor de un punto
determinado de su trayectoria de una planta termica y también los
calores latentes de vaporización del vapor, para ello el estudiante
de ingenería deberá conocer detalladamente los pasos para dicha
tarea.
Esta es una de las razones por la cual nace el interes de
hacer esta experiencia en el laboratorio de ingeniería mecánica de
la UNI, esperando que sea de agrado de todos los alumnos los
invitamos a participar y disfrutar del fascinante mundo de las
experiencias en el laboratorio.
UNI/FIM 2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
CALDERO MARCET
2. OBJETIVO
Obtener experimentalmente el calor latente de vaporización del
agua.
3. RESUMEN TECNICO
La experiencia en mención se basa en la determinación del calor
latente de vaporización mediante la ecuación de clapeyron.
La deducción de la ecuación mencionada se basa en una de las
relaciones de maxwel:
entonces considerando la ecuación anterior en condiciones de
equil ibrio para las condiciones de vaporización, tenemos que: t=c ,
y las condiciones p y t no son funciones del volumen y los l imites
de integración estan definidos desde líquido saturado hasta vapor
saturado, entonces:
UNI/FIM 3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
donde: dp/dt es la pendiente de la curva para la fase líquida y
vapor del diagrama p y t.
Se puede aplicar este mismo principio en la fase sólido-l iquido.
Ademas:
UNI/FIM 4
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
Asimismo durante el cambio de estado del agua en vapor se l leva a
cabo un proceso de p y t constante; entonces:
donde : (h-t.s) se conoce como función de gibbs (g) y para 2
fases en equil ibrio g = 0
entonces:
haciendo la consideración que durante la vaporización y a bajas
presiones el vapor se comporta como gas ideal y que v f es
despreciable comparado con v g
tenemos:
v f g= v= rt/p....................................3
reemplazando (3)en (2)
donde :
p= presión de saturación.
t= temperatura de saturación.
r= constante del vapor
UNI/FIM 5
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
4. APARATOS USADOS
- Un caldero marcet.
- Un termómetro de bulbo amaril lo (0-360 °C)
aprox. (1°C)
- Un manómetro de bourdon.
- Un mechero bunsen.
- Un fósforo.
- Agua sin impurezas.
UNI/FIM 6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
5. PROCEDIMIENTO
- Abrir la tapa de l lenado y válvula de nivel de agua.
- Llenar íntegramente con el agua pura: tapar y cerrar la vávula.
- Encender el mechero y calentar el caldero hasta 8 kg/cm 2,
previa purga de aire a 2 kg/cm 2
- Medir en intervalos iguales de presión lecturas ascendentes de
temperaturas.
- Medir en intervalos iguales de presión lecturas descendentes
de temperaturas.
UNI/FIM 7
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
6. CALCULOS Y RESULTADOS
UNI/FIM 8
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
UNI/FIM 9
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
UNI/FIM 10
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
UNI/FIM 11
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
CALORÍMETRO UNIVERSAL
7. OBJETIVO
Hallar la calidad de una determinada muestra de vapor.
8. FUNDAMENTO TECNICO
Este t ipo de calorímetro basa su funcionamiento en la separación
del agua del vapor mediante cambios de dirección del f lujo de una
determinada muestra de vapor húmedo al pasar a través del
calorímetro.
El vapor húmedo entra por la parte alta del calorímetro; choca
contra unas placas desviadoras, como existe una gran diferencia
de densidades del vapor y del agua, este cambio de dirección nos
permite obtener el agua de este vapor húmedo, considerando que
el agua tiene una inercia mayor.
El vapor seco se extrangula al pasar por un espacio anular; es
sobrecalentado para f inalmente ser condensado y recogido.
En un diagrama T-S obtenemos los siguientes procesos:
De 1-2: separación del agua
del vapor
. de 2-3: estrangulación
de 3-4 : enfriamiento y conden- sación.
UNI/FIM 12
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
considerando:
m t=masa total de vapor húmedo.
m s=masa del l íquido separado.
mc=masa de condensado.
m v=masa de vapor seco.
x1=calidad de la muestra.
x2=calidad a la salida del separador.
asimismo:
de donde.
Teniendo en cuenta que:
UNI/FIM 13
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
Entonces teniendo como guía la distribución de la figura anterior
asimismo:
9. APARATOS USADOS
- Una probeta de vidrio de 50-500 ml aprox. 5ml.
- Una regla graduada.
- Un calorímetro universal.
- Una par de guantes.
UNI/FIM 14
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
10. PROCEDIMIENTO
- Hacer pasar vapor a través del calorimetro.
- Tomar mediciones de temperatura en los puntos que se le
indiquen.
- De las tablas de vapor se obtienen: h3,hf2, hfg2.
- Medir la masa separada y la masa condensada.
UNI/FIM 15
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
11.CALCULOS Y RESULTADOS
UNI/FIM 16
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
12.OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
CALDERO MARCET
- En la toma de valores de temperaturas descendentes hubo mucha variación
a las temperaturas descendentes.
- Al momento de evacuar el aire del caldero, no se logró dicho proposito.
- La presiones obtenidas son manométricas y para usar la ecuacion de
clapeyron se tubo que tomar las presiones absolutas.
- Los calores latentes obtenidos en la experiencia difieren con respecto a los
valores de tablas termodinamicas.
- Para cada presion obtenida la temperatura medida es la de saturación para
el estado.
CALORÍMETRO UNIVERSAL
- La separación incompleta del agua y vapor asi como errores de medicion
traen consigo errores en los valores de la calidad.
- La masa separada es la humedad contenida en el vapor
- Las presiones obtenidas eran manométricas y se tubo que tener en cuenta
las presiones barométrica del laboratorio.
UNI/FIM 17
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
13.BIBLIOGRAFÍA
Manual de laboratorio de ingenieria mecanica i.
Potter Merle, mecanica de fluidos, segunda edicion, mexico, editorial
prentice hall hispanoamericana,. 1998.
Seymour Doolittle jesse, el laboratorio del ingeniero mecanico, buenos
aires, editorial masa, 1962.
Mark. el manual del ingeniero mecanico.
UNI/FIM 18
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
14 .APENDICE
Calorimetry
Calorimetry is the quantitative measurement of the heat required or evolved during a chemical process. A Calorimeter is an instrument for measuring the heat of a reaction during a well defined process. The following diagram depicts a constant volume or 'bomb' calorimeter:
You may see a much simpler, but less accurate calorimeter in the laboratory, which, by its construction is necessarily constant pressure:
Constant volume calorimetry measure the internal Energy change between reactants and products, but constant pressure calorimetery measures directly the Enthalpy change during the reaction. These two heats are slightly different when gases are evolved or consumed during the transformation. (Gases evolved expand if at constant pressure and thus do Work in the surroundings. This energy must come from somewhere...) Both constant volume and constant pressure instruments use the fact that the heat evolved from the reaction heats up a working substance (usually a water bath) with a known heat capacity. Thus a measurement of the temperature rise in the surroundings (calorimeter body) allows a determination of the heat crossing the boundary. We usually assume that the heat capacity of a substance at constant volume, Cp, or the heat capacity at constant volume, CV, are roughly independent over a small range of temperatures (or at least the range of temperatures in the Calorimeter).
The Heat Capacity of a substance is extensive, and can be quoted as the molar heat capacity (heat capacity per mole of substance) or the specific heat (heat capacity per gram of substance)
The Heat Capacity of any substance is positive. The Heat Capacity is discontinuous at phase transitions. The Heat Capacity of a solid is in general less than that for a liquid,
which is less than that for a gas. The values of the Heat Capacity at constant Volume, CV, and the Heat
Capacity at constant pressure, Cp, for a given substance are are almost exactly equal, if the substance is a solid or a liquid. Cp and CV are not equal for a gas; The difference between Cp and CV is the capacity of the gas to expand and do work and is equal to R per mole (R is the universal gas constant) {Cp = CV+R for an ideal gas} For solids and liquids, the subscript p or V is usually dropped.
Q = m C DT if m is moles and C is molar Heat Capacity if m is mass (grams) and C is the Specific Heat is positive for a temperature increase because the system has
undergone an endothermic change of state Example Calorimeter Calculations:
UNI/FIM 19
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
A constant pressure calorimeter where the water bath has a mass of 150 grams. 1.00 g of diamond is burned to produce CO2 and Water. If the water bath in the Calorimeter is initially at 22 oC, what is the final temperature of the Calorimeter? First, let's write a balanced chemical reaction for the combustion C (diamond) + O2 (gas) = CO2 (gas) Next, the molar heat of reaction comes from the Heats of Formation of the products minus the reactants. DHrxn = -393.5 kJ/mol - (1.88 kJ/mol + 0) = -395.4 kJ/mol The actual heat released by 1.00g /12.011 g/mol = 8.326 x 10-2 mol of diamond is Q = (-395.4 kJ/mol) (8.326 x 10-2 mol) = -3.292 x 104 J The temperature rise is the heat provided to the water (-Q) divided by the mass times the specific heat of water DT = 3.292 x 104 J/ ((150. g)(4.184 J/K.g) = 52.5 K The final temperature of the water bath is then Tfinal = 22 + 52.5 = 74.5 oC If 0.500 gram of another substance, H2CO, is burned in the same Calorimeter, and the temperature of the bath in the calorimeter (150 g H20) changes from 24.0 to 39.2 oC, what is the molar heat of formation of the H2CO? Again, lets see what kind of reaction we should have in the reactor H2CO (gas) + O2 (gas) = CO2 (gas) + H2O (l) So the Heat of that reaction for 0.500 g / 30.03 g/mol = 1.665 x 10-2 mol of formaldehyde raised the temperature of 150. g of water by 15.2 K. That means the heat released by that amount of reaction liberated: -Q = (150 g)(4.184 J/g.K)(15.2 K) = 9.540 kJ of heat. One mole of reaction would liberate -Q = 9.540 kJ/(1.665 x 10-2 mol) = 572.9 kJ/mole which is the heat of combustion, DHcomb, of formaldehyde. The heat of formation of formaldehyde, DHform{formaldehyde}, is related to the heat of combustion as: DHcomb = DHform{water (l)} + DHform{CO2 (gas)} - DHform{formaldehyde} So -572.9 kJ/mol = -285.8 kJ/mol + -393.5 kJ/mol - DHform{formaldehyde} or DHform{formaldehyde} = -106.4 kJ/mol This number is a little low, according to the The National Institute of Standards and Technology (NIST), which can be searched on the web at http://webbook.nist.gov/chemistry/ Sometimes the metal reaction vessel containers heat capacity is also included in the calculation, but the entire calorimeter can be calibrated with the combustion of any substance whose heat of formation is known.
UNI/FIM 20
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAAREA ACADEMICA DE ENERGIA
UNI/FIM 21
Recommended