MANUAL DE PRCTICAS

INGENIERA AMBIETAL

PARA LA ASIGNATURA

TERMODINAMICA

CLAVE DE LA ASIGNATURA

AEF-1065

Autor:

M. en Ing. Mara del Carmen Garca Araiza

Fecha: Diciembre 2011

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INTRODUCCIN

El estudio de la termodinmica involucra la mayor parte de los sucesos de la vida

diaria, desde las funciones biolgicas de los seres vivos hasta complicados

procesos industriales, los cuales implican balances de materia y energa para

obtener un mejor aprovechamiento de los recursos involucrados en ellos.

Actualmente, es importante cuidar el ambiente y aprovechar los recursos naturales

de la mejor manera, por lo que su transformacin en satisfactores debe ser

cuidadosamente planeada y controlada, siendo la termodinmica la disciplina

metodolgica que ofrece los fundamentos necesarios a los ingenieros para que

desarrollen procesos que ofrezcan el mximo rendimiento con un ahorro

considerable tanto de materiales como de energa.

Con este fin, se proponen las prcticas contenidas dentro de este manual, ya que

aportan a los alumnos las bases para continuar el aprendizaje dentro del rea de

ingeniera, desarrollando habilidades y estrategias tanto tcnicas como analticas

para la resolucin futura de problemas relacionados con su rea de estudio.

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INDICE DE PRCTICAS

Prcticas Pagina

Practica 1. Dimensiones y Unidades. Conceptos Bsicos

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Practica 2. Presin de Vapor 9

Practica 3. La primera ley de la termodinmica para sistemas cerrados 18

Practica 4. Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vapor 23

Practica 5. Efectos trmicos: determinacin del calor de reaccin a partir de calores de formacin.

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Practica 6. Determinacin de la capacidad calorfica 36

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CONTENIDO

DIMENSIONES Y UNIDADES

PRACTICA 1

Laboratorio de: Horas:

TERMODINAMICA 2

Introduccin

Las leyes que rigen los fenmenos de la fsica se expresan mediante ecuaciones entre magnitudes fsicas, como la presin, viscosidad, etc., que es preciso medir. La medida es un nmero expresado en un sistema de unidades. Si se escogen tres magnitudes bsicas o fundamentales y se asigna una unidad a cada una de estas tres magnitudes, las restantes magnitudes se denominan magnitudes derivadas y se pueden expresar en funcin de las tres magnitudes fundamentales; as como sus unidades, se denomina unidades derivadas y pueden expresarse en funcin de las tres unidades fundamentales. A lo largo de los aos se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos de las comunidades cientfica y de ingeniera por unificar al mundo con u sistema nico de unidades, en la actualidad se utilizan dos conjuntos de unidades; el sistema ingles y el sistema mtrico tambin conocido como el sistema internacional. El Sistema Internacional es un sencillo y lgico basado en una relacin decimal entre las diversas unidades y es usado en el trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de las naciones industrializadas. El sistema Ingles sin embargo, no tiene una base numrica y sus diversas unidades se relacionan de manera arbitraria (12 in en 1ft, 16 oz en 1lb) lo que es confuso y de difcil aprendizaje. La finalidad de esta prctica es de dar a conocer las unidades y las conversiones de los dos sistemas mas utilizados en termodinmica, para que as el alumno pueda resolver problemas y que asigne de manera congruente las unidades correspondientes a las magnitudes medidas.

Objetivo

1. El alumno realizara mediciones de las magnitudes ms utilizadas en el laboratorio de Termodinmica.

2. El alumno ser capaz de realizar conversiones de unidades en el Sistema Ingles y Sistema Internacional de manera correcta, con la ayuda de tablas de conversiones.

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Fundamento

1. Investigar que es una dimensin, magnitud, unidad. 2. Realizar un cuadro con las dimensiones bsicas y dimensiones derivadas con

sus respectivas unidades. 3. Recopilar tablas de conversiones en Sistema ingles e Internacional. 4. Indique cual es la manera correcta de realizar conversiones de unidades. 5. Investigue las definiciones de, capacidad calorfica, de relativa, densidad

especifica, volumen molar, volumen especfico, fuerza, entalpa molar, Presin, nmero, de Reynolds, (simbologa y unidades en el Sistema internacional).

Material requerido

1. Calculadora 2. Tablas de conversiones 3. Probeta 1L 4. Cronometro 5. Manmetro diferencial 6. 1Jeringa de 10mL 7. Tina 8. Bomba de recirculacin

Desarrollo

Mediciones de Volumen. 1. Coloque una tina con agua. 2. Sumerja una bomba de recirculacin. 3. Mida diferentes volmenes en una probeta de 1 L. 4. Realice una tabla con las mediciones. Mediciones de Gasto Volumtrico. 1. Coloque una tina con agua. 2. Sumerja una bomba de recirculacin. 3. Mida volmenes de agua en diferentes lapsos de tiempo. 4. Realice una tabla con las mediciones. Mediciones de Presin. 1. En un manmetro diferencial coloque en uno de los brazos una jeringa, de manera lenta succione. 2. Mida en la columna de Mercurio, cuantos mm se ha desplazado la columna. 3. Realice una tabla con las mediciones.

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Mediciones de masa. 1. Pesar en la Balanza Analtica las 5, 50,125 g siguientes sustancias: Agua, NaCl, Glucosa. 3. Realice una tabla con las mediciones.

Conversiones de Temperatura. 1. Realizar las siguientes Conversiones de temperatura. Tabla 1.1. Conversiones de temperatura.

2. Determine la diferencia de temperaturas Tabla 1.2 Conversiones de temperatura.

Mediciones y conversiones de volumen. 1. Realice las siguientes conversiones de volumen. Tabla 1.3 Mediciones y Conversiones de volumen.

Mediciones y Conversiones de Gasto Volumtrico. 1. Realice las siguientes conversiones de gasto volumtrico. Tabla 1.4 Mediciones y Conversiones de Gasto Volumtrico.

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Mediciones y conversiones de Presin. 1. Realice las siguientes conversiones de presin. Tabla 1.5 Mediciones y Conversiones de Presin.

A partir de las mediciones anteriores determine la presin absoluta. Considere la presin atmosfrica de la Ciudad de Mxico. Mediciones y conversiones de masa. 1. Realizar las conversiones de masa indicadas. Tabla 1.6 Mediciones y Conversiones de masa.

Conversiones de unidades de energa, calor y trabajo. 1. Realizar las siguientes conversiones de energa. Tabla 1.7 Conversiones de energa.

Resultado a obtener

1. Elabore una tabla con las dimensiones y sus factores de conversin mas utilizados.

2. Comente sobre la prctica.

Conclusiones

Qu experiencia le dejo esta practica?

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Referencias

1. Mataix Claudio. Mecnica de Fluidos , 2. Edicin, Oxford University Press, Alfaomega 2003

2. Yunus A. Cengel. Michael Boyles Termodinmica, 4. Edicin. Mc Graw Hill.

2003.

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PRESION DE VAPOR

PRACTICA 2

Laboratorio de: Horas:

TERMODINAMICA 2

Introduccin

La presin de vapor es una de las propiedades ms til de los lquidos, es una variable importante en el diseo y operacin de procesos industriales qumicos, fsicos y biolgicos como consecuencia de la existencia de una interface liquido-vapor. La presin de vapor de un lquido es la presin gaseosa que ejercen las molculas vaporizadas en equilibrio con el lquido. La presin de vapor o presin de saturacin es la presin a la que a cada cambio de temperatura la fase lquida y vapor se encuentran en equilibrio. En equilibrio las fases reciben el nombre de lquido saturado y vapor saturado. Las variaciones de las propiedades durante los procesos de cambio de fase se estudian y comprenden mejor con la ayuda de diagramas de propiedades, tal como el que se ilustra en la figura 1; es un diagrama de Presin vs. Temperatura (P-T) de una sustancia pura. Este diagrama frecuentemente se denomina diagrama de fases puesto que las tres fases se separan entre s mediante tres lneas. La presin de vapor solo depende de la naturaleza del lquido y de su temperatura. A mayor temperatura mayor presin de vapor y viceversa. La presin de vapor de un lquido dado a temperatura constante ser aproximadamente constante en el vaco, en el aire o en presencia de cualquier otra mezcla de gases. La fase liquido-vapor se logra cuando se aplica calor a un lquido, el lquido alcanza su punto de ebullicin. El punto de ebullicin vara con la presin externa que existe por encima de la superficie del lquido. Al descender la presin, el punto de ebullicin disminuye. Al elevar y disminuir la temperatura del liquido se puede determina la presin de vapor a diferentes intervalos de temperaturas. Si se colocar un lquido en un recipiente hermtico, es un sistema separado hidrulicamente del exterior.

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Diagrama de fases P-T de un componente puro

La lnea A-B de sublimacin separa las regiones slida - vapor, la lnea B-C de vaporizacin divide las regiones lquida -vapor, y la lnea B- D de fusin separa las regiones slida y lquida. Estas tres lneas convergen en el punto triple (B), donde las tres fases coexisten en equilibrio. La lnea de vaporizacin (B-C) finaliza en el punto crtico (C) porque no se pueden distinguir las fases lquida y de vapor arriba del punto crtico. El punto C indica el valor mximo de presin y temperatura (PC,TC) en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, fluidos con T y P mayores que TC y PC se denominan fluidos supercrticos La relacin cuantitativa entre la presin de vapor P de un lquido y la temperatura absoluta esta dada por la ecuacin de Clausius. Clapeyron:

Donde In es el logaritmo Natural, T es la temperatura, R es la constante de los gases y C es una constante. Esta Ecuacin se utiliza para determinar los calores de vaporizacin a partir de medir la presin de vapor a diferentes temperaturas.

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Objetivo

1. Mediante la experimentacin determinar el comportamiento de la presin de vapor de un lquido puro sometido a diferentes temperaturas.

2. Mediante la experimentacin determinar el comportamiento de la presin de vapor de una mezcla de dos componentes sometidos a diferentes temperaturas.

3. Obtener a partir de la Ecuacin de Clausius-Clapeyron el calor latente de vaporizacin de un lquido puro,

Fundamento

1. Que es la presin de vapor? 2. A partir de que temperatura se hace la medicin de la presin de vapor. 3. Investigue cual es la relacin que existe entre la temperatura y la Presin de

vapor. 4. Defina Qu es la entalpa de vaporizacin?, 5. Investigue la entalpa de vaporizacin del agua y del etanol, en el Sistema

Internacional y Sistema Ingles. 6. Investigue la tendencia que esperara para la presin de vapor, para los

sistemas con los que va a trabajar. 7. Investigue la Presin Baromtrica en la Ciudad de Mxico. 8. Investigue que otras ecuaciones se utilizan para estimar la presin de vapor de

un componente puro.

Material requerido

1. Matraz Erlenmeyer 250 mL 2. Parrilla de calentamiento 3. Manguera de ltex 4. Manmetro diferencial 5. Termmetro de 0C-150 C 6. Liquido problema (Agua, acetona, etc.) 250 mL. 7. Pinzas de presin 8. Barmetro 9. Bao de agua fra

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Desarrollo

Determinacin de la presin de vapor de un lquido (Agua, Alcohol, Mezcla Agua- Alcohol)

1. Montar el equipo de laboratorio tal como lo ilustra la figura. 2. El matraz debe contener el lquido problema. 3. Cerrar el sistema de tal manera que solo este conectada la salida de vapor al manmetro diferencial y verificar que la vlvula este abierta antes de iniciar el calentamiento. 4. Caliente el sistema hasta la ebullicin del lquido problema. Verifique que no haya fugas en el sistema. 5. Una vez que alcanz la temperatura de ebullicin permite escapar vapor para desalojar el aire atrapado en la manguera de ltex, despus de unos segundos cerrar la vlvula ubicada en la manguera de ltex 6. Registrar en la tabla la altura en mm de Hg al aumentar 0.5 C la temperatura

del liquido problema. Realice varias mediciones sin rebasar la escala del manmetro.

7. Suspender el calentamiento.

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Resultado a obtener

Determinacin de la Presin de Vapor. 1. Registro de temperatura y altura de mercurio.

Las Alturas de mm de Hg convirtalas a Unidades de Presin (Pa y Kpa).Consultar Anexo1. Mediciones de la Presin de Vapor a diferentes temperaturas.

Determine la Presin Absoluta del vapor Experimental (Ver Anexo 1).

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2. Con la ecuacin de Antoine Determinar el valor Terico de la Presin Absoluta de Vapor.

T = Temperatura = K (De los datos experimentales obtenidos) P = Presin en mmHg. A, B y C Constantes (Anexo 2). 3. Con los valores Terico y Experimentales Grafique ln P Contra 1/ T. Analice como es la tendencia. Se asemeja el comportamiento experimental al terico) Valores de 1/ T y In P.

Grafico de In P en funcin de 1/T

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4. De la Ecuacin de Clausius Clapeyron la pendiente m ser el valor de la Entalpa de vaporizacin.

m = DHvap/R , despejar DH 5. Determine la Entalpa de vaporizacin del lquido y compare los valores.

Conclusiones

1. Realice el anlisis Correspondiente con los valores obtenidos. 2. Analice las graficas de presin de Vapor experimental y terica. 3. A que se debe que la Entalpa de vaporizacin sea mayor que la Entalpa de

Fusin? 4. Considere la Grafica siguiente e indique la razn del porque para el agua se

tiene una pendiente mayor. 5. De que factores depende la presin de vapor?

Referencias

1. Lea, S.M, Burke, J.R.; Fsica Vol. I. La naturaleza de las cosas, Editorial Internacional Thomson, Mxico, 1999.

2. Moran, M.J., Shapiro, H.N.; Fundamentos de termodinmica tcnica, 2. Edicin, Editorial Revert, 2000

3. Raymond Chang. Qumica7 Edicin. Editorial Mc Graw Hill. Colombia 2005. 4. Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; Introduccin a la termodinmica en

ingeniera qumica, 6. Edicin, Mc Graw Hill, 2003.

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Anexos

ANEXO 1. Calculo de la Presin Absoluta de Vapor.

Solo nos interesa la Presin de Vapor (Presin Absoluta del vapor). Con este valor llenar la tabla.

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ANEXO 2. CONSTANTES DE ANTOINE Y DATOS DE CALOR LATENTE DE VAPORIZACIN

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LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA PARA SISTEMAS

CERRADOS

PRACTICA 3

Laboratorio de: Horas:

TERMODINAMICA 2

Introduccin

Tambin conocida como principio de conservacin de la energa para la termodinmica en realidad el primer principio dice ms que una ley de conservacin, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Fue propuesta por Nicolas Lonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico, queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta ltima expresin es igual de frecuente encontrarla en la forma U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia est en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (vase criterio de signos termodinmico).

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Objetivo

1. Identificar y clasificar un sistema termodinmico. 2. Determinar en forma experimental la capacidad trmica especfica de un

material mediante la aplicacin de las leyes cero y primera de la termodinmica para sistemas cerrados.

3. Distinguir la diferencia entre calor sensible y calor latente. 4. Determinar el calor latente de fusin del agua y compararlo con el valor terico. 5. Obtener experimentalmente la temperatura de ebullicin de una sustancia y

comprobar que, a presin constante, la temperatura de la sustancia permanece constante durante el cambio de fase.

Fundamento

Realizar el fundamento de la prctica.

Material requerido

1. 1 calormetro de unicel con tapa 2. 1 balanza de 0 a 610 [g] 3. 1 vaso de precipitados de 600 [ml] 4. 1 vaso de precipitados de 50 [ml] 5. 1 parrilla elctrica 6. 1 muestra de un material slido (monedas) 7. 1 jeringa de 10 [ml] 8. agua lquida 9. 1 termmetro de inmersin 10. 1 cubo de hielo de aprox. 50 [g] (proporcionado por los alumnos) 11. 1 par de toallas de papel absorbentes (proporcionado por los alumnos)

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Desarrollo

Actividad 1 Mida la masa del material disponible y determine su temperatura inicial. Para esto puede sumergir las monedas en un vaso de precipitados con agua y un minuto despus medir la temperatura, sta ser la temperatura inicial del metal. Elimine el agua, seque perfectamente la muestra de metal y depostela en el calormetro con mucho cuidado. Masa de las monedas:___________ [Kg] Tinicial m = __________________ [C] Actividad 2 Mida una masa de 80 [g] de agua lquida y con la ayuda de la parrilla eleve su temperatura hasta alcanzar 40 [C], sta ser la temperatura inicial del agua. Retire inmediatamente de la parrilla, vierta esta agua al calormetro y tpelo. Mida la temperatura de equilibrio (Teq) de la mezcla aproximadamente un minuto despus de haberla hecho y registre ese dato. Teq = ___________ [C]

Actividad 3 Con base en la actividad anterior y en la primera ley de la termodinmica, determine la capacidad trmica especfica del material empleado. Considere que

el agua lquida = 4 186 [J/ (KgC)].

Capacidad trmica especfica del material: ___________________ [J/ (KgC)]. Actividad 4 Mida la masa del hielo y registre su valor. Hielo: ______________ [Kg] Actividad 5 Tome el hielo y mzclelo con una masa de agua lquida tomada directamente de la llave, que sea igual a la masa del hielo en el calormetro. Una vez que lo tape, espere a que ocurra el equilibrio trmico y mida la temperatura inicial de la mezcla. Masa hielo con agua = ____________ [kg] Temperatura inicial hielo con agua = _________ [C] Actividad 6 Anote el error sistemtico que present el termmetro en la actividad anterior. Error sistemtico: _____________ [C]

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Actividad 7 Con ayuda de la parrilla, caliente una masa de agua lquida, que sea cinco veces la del hielo, a 30 [C]. Agregue esta agua al calormetro, tpelo y mida ahora la temperatura de equilibrio. Temperatura de equilibrio: ______________ [C] Con base en la primera ley de la termodinmica para sistemas cerrados y el error sistemtico determinado en la actividad 6, determine el calor latente de fusin del agua.

Considere que c del agua lquida = 4 186 [J/(kgC)]. fusin = _________________________ [J/kg] Actividad 8 Vierta la mezcla a un vaso de precipitados y calintela con la parrilla hasta su temperatura de ebullicin. Registre la temperatura de ebullicin del agua. Tebullicin = ________________ [C]

Expresiones matemticas necesarias {Q} + {W} = U {Q}sensible = m c T {Q}latente = m cambia de fase

Resultado a obtener

Realizar una tabla con los resultados pertinentes.

Conclusiones

Concluir en base a los resultados y objetivos obtenidos.

Referencias

1. Manrique Valadez, J.A; Termodinmica, 3. Edicin, Oxford University Press, 2003.

2. Moran, M.J., Shapiro, H.N.; Fundamentos de termodinmica tcnica, 2. Edicin, Editorial Revert, 2000.

3. Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; Introduccin a la termodinmica en ingeniera qumica, 6. Edicin, Mc Graw Hill, 2003.

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Cuestionario

1. Considerando que el sistema termodinmico es el contenido del calormetro, identifique el tipo de sistema en los dos experimentos. Justifique su respuesta. 2. Investigue el valor terico de los calores latentes (entalpias de transformacin) de fusin y de ebullicin para el agua. 3. Con base en la pregunta anterior, determine el porcentaje de error de exactitud para el resultado de la actividad 7. 4. Dibuje la curva de calentamiento para el agua, a una presin como la del D. F., indicando las temperaturas de fusin y de ebullicin. 5. Escriba la expresin dimensional, en el SI, de las cantidades fsicas referidas en el punto 2 de este cuestionario.

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CICLO DE REFRIGERACIN POR LA COMPRESIN DE UN

VAPOR

PRACTICA 4

Laboratorio de: Horas:

TERMODINAMICA 2

Introduccin

Nicols Lonard Sadi Carnot (1796 - 1832) fue hijo de Lazare Carnot, conocido como el Gran Carnot, y to de Marie Franois Sadi Carnot, que lleg a ser Presidente de la Repblica Francesa. Sadi Carnot fue un ingeniero y oficial de la milicia francesa y es el pionero y fundador en el estudio de la Termodinmica.

Hay quienes conceden a Sadi Carnot ser el padre de la Termodinmica, pero su condicin de ingeniero indigna a algunos fsicos quienes dan la paternidad de la Termodinmica a William Thomson (Lord Kelvin) y a Plank, inclusive se menciona que el concepto de Ciclo Carnot quiz viene de la influencia de Emile Clapeyron quien en 1834 analiz y realiz grficos del ensayo de Sadi Carnot.

Licenciado en la Escuela Politcnica, en 1824 public Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en donde expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Estos trabajos, poco comprendidos, inclusive despreciados por la comunidad cientfica (algunos fsicos prominentes) de la poca, fueron ms tarde conocidos en Alemania por Rudolf Clausius, que fue quien los difundi y William Thomson (lord Kelvin) quien hizo lo propio en el Reino Unido. Cabe mencionar que el ensayo de Carnot fue recogido por Clausius y Thompson para formular de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.

Como reconocimiento a las aportaciones pioneras, el principio de Carnot se rebautiz como principio de Carnot-Clausius. Este principio permite determinar el mximo rendimiento de una mquina trmica en funcin de las temperaturas de su fuente caliente y de su fuente fra. Cuando Luis XVIII envi a Carnot a Inglaterra para investigar el elevado rendimiento de sus mquinas de vapor, se dio cuenta que la creencia generalizada de elevar la temperatura lo ms posible para obtener el vapor mejoraba el funcionamiento de las mquinas. Poco despus descubri una relacin entre las temperaturas del foco caliente y fro y el rendimiento de la mquina. Como corolario se obtiene que ninguna mquina real alcance el rendimiento terico de Carnot (obtenido siguiendo el ciclo de Carnot), que es el mximo posible para ese intervalo de temperaturas.

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Toda mquina que sigue este ciclo de Carnot es conocida como mquina de Carnot.

Sadi Carnot no public nada despus de 1824 y es probable que l mismo creyera haber fracasado. Su pensamiento es original, nico en la historia de la ciencia moderna, pues a diferencia de lo que le sucede a muchos otros cientficos, no se apoya en nada anterior y abre un amplio campo a la investigacin.

Objetivo

1. Identificar las partes bsicas que componen el ciclo bsico de refrigeracin por compresin de vapor.

2. Identificar y cuantificar los flujos energticos en el ciclo mencionado en el punto anterior.

3. Determinar el coeficiente de operacin de un refrigerador. 4. Conocer, a partir del anlisis de un ciclo de refrigeracin, algunas limitantes

que establece la segunda ley de la termodinmica.

Fundamento

Aunque todos los procesos naturales deben ocurrir de acuerdo con la Primera Ley, que es el principio de la conservacin de la energa es por s mismo inadecuado para una descripcin inequvoca del comportamiento de un sistema. Especficamente, en la Primera Ley no se incluye la observacin de que cada proceso natural tiene en un cierto sentido, una direccin preferente de accin. Por ejemplo, la transferencia de calor ocurre naturalmente del cuerpo ms caliente al cuerpo ms fro, en ausencia de otras influencias, pero si ocurriera lo contrario no existira ciertamente una violacin de la Primera Ley.

La Segunda Ley es esencialmente diferente de la Primera Ley; los dos principios son independientes y no se pueden en ningn sentido deducir uno partir del. As, el concepto de la energa no es suficiente, y debe aparecer una nueva propiedad. Esta nueva propiedad se puede esclarecer y entonces se puede presentar La Segunda Ley ms o menos de la misma manera como se hizo con la Ley Cero y La primera Ley. Al examinar ciertos resultados de la observacin, uno procura extraer por experiencia una ley que se suponga ser general; esta ser posicionada como un axioma fundamental que se probar o refutar con base en la experimentacin subsecuente. Es importante tener en mente que dentro de la estructura de la termodinmica clsica, no hay prueba ms fundamental que las observaciones.

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Un enunciado que se puede adoptar como La Segunda Ley de la termodinmica es:

Segunda Ley: Existe para cada sistema termodinmico en equilibrio una propiedad escalar extensiva llamada entropa, , tale que en un cambio de estado

reversible infinitesimal del sistema, ,donde es la temperatura

absoluta y es la cantidad de calor recibida por el sistema. La entropa de un sistema aislado trmicamente no puede disminuir y la entropa es constante si y solamente si todos los procesos son reversibles.

Cabe sealar que nadie, absolutamente nadie, ha logrado extender la definicin termodinmica de entropa para sistemas que se encuentran en estados fuera de equilibrio, excepto en lo que se conoce como equilibrio local y, en este caso, no es ms que el concepto de equilibrio global extrapolado para regir en pequeos subsistemas que componen al sistema total.

Material requerido

1. 2 termmetros de inmersin 2. 1 bomba de calor PT (refrigerador)

3. 8 de agua 4. 1 cronmetro 5. 1 agitador de plstico

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Desarrollo

Actividad 1 En el siguiente diagrama, identifique las partes bsicas que componen un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor. Seale tambin los flujos energticos asociados.

Actividad 2 Dibuje una representacin fsica de la bomba de calor PT que se le proporcion, indicando las partes bsicas del ciclo de acuerdo con la actividad anterior. Identifique la sustancia activa (refrigerante) que emplea el equipo. Actividad 3 En la siguiente figura, que representa una grfica de la presin (P) en funcin del

volumen especfico para una sustancia, dibuje cmo se representaran los procesos asociados al ciclo de la actividad anterior. No olvide indicar los cuatro estados que se muestran en la figura de la actividad 1.

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Actividad 4 Establezca las caractersticas estticas de los medidores instalados en el dispositivo. Observe con detenimiento las dos escalas que presenta el instrumento y no olvide anotar las unidades correspondientes.

Medidor de cartula de la izquierda

Medidor de cartula de la derecha

Actividad 5 En cada recipiente del equipo proporcionado coloque 4 litros de agua. Mida la temperatura de cada cantidad de agua. sta ser la temperatura inicial.

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Actividad 6 Ponga a funcionar el dispositivo durante 10 minutos. Mida las temperaturas finales del agua en los recipientes, no olvide homogeneizar el agua con el agitador antes de tomar las lecturas. Por otra parte, mida las presiones (alta y baja) del refrigerante, as como las temperaturas de saturacin correspondientes, con ayuda de los medidores instalados en el dispositivo. Con base en los resultados obtenidos, cuantifique los flujos energticos asociados al evaporador y al condensador. Considere que para el agua en su fase lquida cp = 4,186

[J/(kgK)].

Actividad 7 De acuerdo con la primera ley de la termodinmica para un ciclo, determine el trabajo y la potencia en el compresor.

Actividad 8 Determine el coeficiente de operacin del dispositivo. No olvide anotar sus

unidades.

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Resultado a obtener

Realizar una tabla con los resultados pertinentes.

Conclusiones

Concluir en base a los resultados y objetivos obtenidos.

Referencias

1. Manrique Valadez, J.A; Termodinmica, 3. Edicin, Oxford University Press, 2003.

2. Moran, M.J., Shapiro, H.N.; Fundamentos de termodinmica tcnica, 2. Edicin, Editorial Revert, 2000.

3. Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; Introduccin a la termodinmica en ingeniera qumica, 6. Edicin, Mc Graw Hill, 2003.

Cuestionario

1. Investigue las propiedades fsicas y qumicas principales de la sustancia de trabajo (refrigerante) del dispositivo.

2. En qu condicin fsica la presin del sistema determina el valor de la temperatura?

3. Por qu razn en el dispositivo, las escalas de presin y temperatura de los medidores no se presentan en forma independiente?

4. Elabore una grfica como la de la actividad 3, indicando el mayor nmero de propiedades que determin en esta prctica para los cuatro estados principales del ciclo de refrigeracin.

5. Identifique los depsitos trmicos asociados al ciclo en el dispositivo empleado. 6. Haga un esquema de un refrigerador domstico identificando los depsitos

trmicos del punto anterior. 7. Con base en las actividades realizadas en la prctica, cmo podra verificarse

el postulado de Clausius?

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EFECTOS TERMICOS: DETERMINACIN DEL CALOR DE REACCIN A PARTIR DE CALORES DE FORMACIN

PRACTICA 5

Laboratorio de: Horas:

TERMODINAMICA 2

Introduccin

El cambio de entalpa para un proceso est dado por:

H = H final H inicial El cambio de entalpa, es el calor adicionado o perdido por un sistema a presin constante, por lo que podemos decir que la entalpa es igual:

H = q Por consiguiente, si estudiamos una reaccin en un recipiente abierto a la atmosfera, como un matraz en el laboratorio, H es igual al flujo de energa en forma de calor. Por esta razn, el cambio de entalpa para una reaccin se suele denominar calor de reaccin. La entalpa es una funcin de estado. El cambio de entalpa para una reaccin qumica est dado por la entalpa de los productos, menos la de los reactivos.

H = H (productos) - H (reactivos) Si los productos de la reaccin tienen una entalpa mayor que los reactivos H ser de signo positivo. En este caso, el sistema absorbe calor y la reaccin es endotrmica. En caso contrario si la entalpa de los productos de una reaccin es menor que la de los reactivos el H tendr signo negativo y por lo tanto se tratara de una reaccin exotrmica. Podemos determinar el cambio estndar terico de cualquier reaccin, (H reaccin), utilizando los calores estndar de formacin y la Ley de Hess. Sumamos los calores de formacin de todos los productos, y restamos los calores de formacin de los reactivos.

H rcn = n Hf (productos) - m Hf (reactivos)

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En donde: = sumatoria, n y m son los coeficientes estequiometricos de la reaccin qumica. Experimentalmente el calor de reaccin se determina a partir del cambio de temperatura de una cantidad conocida de una solucin que se encuentra en un calormetro.

Objetivo

1. Determinar el calor de reaccin a partir de calores de formacin. 2. Determinar el calor de reaccin utilizando el mtodo calorimtrico.

Fundamento

1. Cual es la diferencia entre el calor de disolucin, calor de dilucin y calor de reaccin?

2. Explique las caractersticas de una reaccin endotrmica y exotrmica 3. Como se determina el H cuando tiene una especie en solucin acuosa? 4. Investigar las entalpas de formacin de las especies involucradas en la

practica: KOH (s) KOH (ac), HNO3 (l), HNO3 (ac), KNO3 (ac), H2O (l), K + (ac), OH- (ac), H+ (ac), NO3 (ac). Llenar una tabla con los valores encontrados explique la Ley de Hess y bajo que condiciones se cumple.

5. Completar las siguientes reacciones:

Material requerido

1. Calormetro 2. Termmetro 3. Agitador 4. Probeta de 250 ml 5. 2 vasos de precipitados de 500 ml

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Desarrollo

Determinacin del Calor de disolucin del KOH(s) 1. Pesar 8g de KOH(s) 2. A un calormetro adicionar 100ml de H2O y medir y registrar la temperatura hasta que esta sea constante 3. Adicionar al calormetro los 8g de KOH(s). 4. Medir el cambio de temperatura mximo. Guardar la solucin (A). 5. Registrar los valores de temperatura en la tabla. Determinacin del calor de disolucin para el HNO3 (l). 1. Medir 9 ml de HNO3 (l). 2. A un calormetro adicionar al calormetro 100ml de H2O y medir y registrar la temperatura hasta que esta sea constante. 3. Adicionar al calormetro los 9ml de HNO3 (l). 4. Medir el cambio de temperatura .Guardar la solucin (B) 5. Registrar los valores de temperatura en la tabla. Nota: Este experimento se realizara por separado y solo se dar el valor de la diferencia de temperaturas para los alumnos. En caso de realizar el experimento hacerlo con cuidado ya que se esta trabajando con cido ntrico concentrado.

Determinacin del calor de formacin de KNO3 (ac). 1. Medir la temperatura a cada una de las soluciones, la temperatura entre cada solucin no debe de variar por ms de 0.2C. En caso de ser necesario ponga en un bao de hielo la solucin con ms alta temperatura, para as poder aproximar la temperatura entre las soluciones. 2. Adicionar al calormetro la solucin A y la solucin B. 3. Medir y registrar el cambio de temperatura en la tabla. Nota: Lavar el termmetro y el calormetro entre cada experimento. Realizar cada experimento por triplicado.

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Resultado a obtener

Determinacin Terica del calor de reaccin utilizando los calores de formacin. Entalpas de Formacin de las especies qumicas involucradas en la reaccin de formacin del KNO3 (ac)

1. Para cada una de las reacciones calcule la entalpa de reaccin. Con la siguiente ecuacin:

H r = n Hf (productos) - m Hf (reactivos) En donde: m y n = Son el numero de moles para cada especie Hf = Entalpas molares de formacin para cada una de las especies involucradas en la reaccin. La entalpa de reaccin terica estar dada por HT =H1 + H2 + H3

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Determinacin Experimental del Calor de Formacin del KNO 3(ac) Datos para calcular el calor de disolucin del KOH(s)

1. El Calor de disolucin se determinara con la siguiente ecuacin; H1= (C + CpH2O X m T ) (T2 - T1) Datos para calcular el calor de disolucin para el HNO3 (l).

H2= (C + CpH2O X m T) (T2 - T1) Determinacin del calor de formacin de KNO3 (ac).

H3= (C + CpH2O X m T ) (T2 - T1) C = Capacidad calorfica del calormetro (Determinar C del calormetro) mT = Masa total de la mezcla en cada una de las reacciones CpH2O = Cp del agua. (Se toma el valor del Cp del agua ya que se utilizan concentraciones muy bajas de soluto)

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Para determinar el valor experimental de la entalpa de reaccin del KNO3 se sumaran las entalpas de cada una de las reacciones, por lo tanto: HT= H1 + H2 + H3 Nota: El resultado de H1 + H2 + H3, ser positivo y se debe de hacer un cambio de signo a negativo, ya que se requiere la cantidad de calor que esta perdiendo el sistema.

Conclusiones

1. Realice el anlisis Correspondiente con los valores obtenidos. 2. Indique si se trata de una reaccin endotrmica o exotrmica.

Referencias

1. Castellan, G. W., Fisicoqumica, 2 ed. Addison Wesley Longman, 1998. 2. Mortimer, C. E., Qumica, Editorial Iberoamerica, Mxico, D. F., 1986. 3. Raymond Chang. Qumica7 Edicin. Editorial Mc Graw Hill. Colombia 2005.

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DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD CALORIFICA

PRACTICA 6

Laboratorio de: Horas:

TERMODINAMICA 2

Introduccin

Cuando se le transfiere energa a un sistema en forma de calor, hay un cambio de estado que aparece como una elevacin de temperatura. Para una transferencia infinitesimal de calor, la elevacin de temperatura es proporcional a la cantidad de calor suministrada, de modo que:

dq = C dT ec.2.1

En donde la Constante C se llama capacidad calorfica del sistema. La capacidad calorfica permite que la energa suministrada al sistema sea medida en trminos de la elevacin de la temperatura resultante, una propiedad que se detecta fcilmente. La capacidad calorfica depende de las condiciones (volumen y temperatura) bajo las cuales se transfiere calor al sistema. Las capacidades calorficas a volumen constante y a presin constante son, ambos casos especiales de la ecuacin (2.1). Esto significa que las dos pueden ser definidas aadiendo una etiqueta que denote la restriccin:

dq = Cv dT a Volumen Constante ec.2.2 dq = Cp dT a Presin Constante ec.2.3

La capacidad calorfica de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo, en tanto que la capacidad calorfica especifica o calor especifico es una propiedad caracterstica de las sustancias con independencia en el sistema de unidades, pero dependiente de la temperatura de la sustancia.

Objetivo

1. Identificar la diferencia entre capacidad calorfica y capacidad calorfica especifica.

2. Determinar la capacidad calorfica de un lquido problema utilizando un calormetro simple.

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Fundamento

1. Defina calorimetra y describa dos calormetros de uso comn. 2. Cul es la diferencia entre capacidad calorfica y calor especifico? 3. Cules son las unidades de estas dos cantidades en el Sistema Ingles y en el

Sistema Internacional? 4. Cul es una propiedad extensiva y cual una intensiva? Realice un cuadro

comparativo. 5. Investigue la capacidad calorfica y la densidad del agua a diferentes

temperaturas con sus diferentes variantes de unidades (Sistema Internacional, Sistema Ingles)

6. Mencione cual es la importancia de la determinacin de la capacidad calorfica 7. Investigue la capacidad calorfica de diferentes lquidos (leche, jugo, vinagre,

etc.). 8. Elija un lquido para trabajar durante la experimentacin, es importante que

investigue la capacidad calorfica de dicho lquido (anote la bibliografa).

Material requerido

1. 1 Calormetro con tapn horadado 2. 1 Termmetro 3. 1 agitador de vidrio 4. 2 probetas de 250 mL 5. 1matraz Erlenmeyer de 250 mL 6. 1 vaso de precipitados de 250mL 7. 1 picnmetro de 10 mL 8. 1 parrilla elctrica

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Desarrollo

Determinacin de la capacidad calorfica del calormetro 1. Verter al calormetro 250mL de agua a temperatura ambiente, agitar hasta que la temperatura sea constante T1. Registre la temperatura 2. Calentar 100mL de agua a 40C aproximadamente. Medir Temperatura T2. 3. Verter rpidamente al calormetro los 100mL de agua que calent, agite, y registre la temperatura hasta que esta sea constante (TF). 4. Realice el experimento por triplicado 5. Llenar una tabla con los datos obtenidos 6. Con los datos obtenidos determine la Capacidad Calorfica del calormetro.

Arreglo experimental para la determinacin de la capacidad calorfica

Determinacin de la capacidad calorfica del lquido problema. 1. Verter al calormetro 250mL de agua a temperatura ambiente, agitar hasta que la temperatura sea constante T1. Registre la temperatura 2. Calentar 100mL del lquido problema a 40C aproximadamente. Medir Temperatura TLP. 7. Verter rpidamente al calormetro los 100mL del lquido problema que calent, agite, y registre la temperatura hasta que esta sea constante (TFM). 3. Determine la Densidad del liquido problema a la temperatura 40C 4. Realice el experimento por triplicado a. Llenar una tabla con los resultados obtenidos 5. Con los datos obtenidos determine la Capacidad Calorfica del lquido. Nota: Los experimentos se realizaran de manera rpida, considerando que la temperatura final de la mezcla ser la temperatura que se mantenga constante.

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Resultado a obtener

Determinacin de la capacidad calorfica del calormetro Datos obtenidos para la determinacin de la capacidad calorfica del calormetro.

1. De acuerdo al siguiente balance realice los clculos necesarios para determinar la capacidad calorfica del calormetro (C). Calor cedido por el agua caliente = Calor ganado por el calormetro + Calor ganado por el agua.

2. Despejar C, que ser la Capacidad calorfica del calormetro. 3. Realice el anlisis dimensional correcto. Valores de la capacidad calorfica del calormetro

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Determinacin de la capacidad calorfica especifica del lquido problema. Datos obtenidos para la determinacin de la capacidad calorfica del lquido problema.

1. Considerando el siguiente balance determinar la capacidad calorfica del lquido problema.

Valores de la capacidad calorfica del lquido problema.

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Conclusiones

1. Realice el anlisis Correspondiente con los valores obtenidos 2. Qu tan exacta fue la determinacin? 3. Qu indica un valor grande o pequeo de la Capacidad Calorfica? 4. En las mediciones calorimtricas, Por qu es importante conocer la capacidad

calorfica del calormetro? 5. En la determinacin de la capacidad calorfica que cuidados se deben de tener. 6. Para slidos como se determina la capacidad calorfica especifica.

Referencias

1. Atkins.P.W., Fisicoquimica , Versin espaol, Editorial Sitesa, 1981 2. Moran, M.J., Shapiro, H.N.; Fundamentos de termodinmica tcnica, 2.

Edicin, Editorial Revert, 2000 3. Raymond Chang. Qumica7 Edicin. Editorial Mc Graw Hill. Colombia 2005. 4. Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; Introduccin a la termodinmica en

ingeniera qumica, 6. Edicin, Mc Graw Hill, 2003.