LAB 1 TERMODINAMICA

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Carrera:  INGENIERÍA INDUSTRIAL

Asignatura:  TERMODINÁMICA APLICADA

Laboratorio N°1:

ESTUDIO DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN DEL AGUA

OBJETIVOS:

Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de:

• Analizar termodinámicamente un sistema sin flujo cuya sustancia de trabajo (agua) se calienta y evapora, estableciendo las interacciones de energía entre el sistema y su entorno
• Comparar, teórica y experimentalmente,  la relación  entre la presión y la temperatura en un proceso de evaporación.
• Describir los componentes de un hervidor, comparando su funcionamiento con el de equipos industriales, como los calderos.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Consideremos una sustancia que cambia de estado de líquido a gas (evaporación) y viceversa (condensación). Es sabido que si se calienta un líquido dentro de un ambiente en el cual la presión es estable, el líquido se calienta y, a cierto valor, la temperatura cesa de aumentar y el líquido comienza a transformarse en vapor. Entonces, al continuar el suministro de calor,  la temperatura no aumenta mientras haya líquido para  evaporar.

Cualquier vapor, en presencia del líquido del cual se originó y en condiciones de equilibrio térmico con el mismo, tiene una temperatura bien definida en correspondencia con cada valor de presión. Por tanto, se puede escribir la siguiente ecuación: f(P,T) = 0, para indicar la relación entre los valores de presión y temperatura del vapor. Sin embargo, hay un punto a tomar en consideración. Se ha dicho “cualquier vapor en presencia del líquido del cual se originó”; si el espacio no llenado por el líquido es ocupado no solamente por el vapor sino también por otro gas, como por ejemplo el aire, las cosas se complican. Por tanto, antes de comenzar la medición de los valores de presión y temperatura, es necesario eliminar el aire inicialmente presente en el hervidor.

Si el agua contenida en el recipiente (hervidor) es calentada, se ocasiona un aumento de la actividad molecular y un aumento del número de moléculas liberadas (evaporadas) a través de la superficie del líquido; esto ocurrirá hasta alcanzar una condición de equilibrio.  La condición de equilibrio dependerá de la presión ejercida sobre la superficie que divide el líquido del vapor. Cuanto más baja sea la presión, tanto más fácil será la liberación de las moléculas desde la superficie del líquid. La temperatura a la cual se obtiene la condición de equilibrio en correspondencia con una determinada presión es denominada punto de saturación.

En esta experiencia, el calor ingresa al sistema (el agua del hervidor) primero a presión constante, hasta que se forma vapor y luego en condiciones de volumen constante, no de presión estable. La gradual evaporación del líquido provocará un aumento de la presión – y por tanto de la temperatura de saturación – dentro del espacio confinado del recipiente (hervidor).

El estudio del proceso termodinámico de vaporización está orientado a conocer la relación que existe entre las propiedades como la presión, la temperatura, la entalpía, etc. El hervidor de Marcet es utilizado para estudiar la relación entre la presión y la temperatura del vapor saturado en condiciones de equilibrio con el agua líquida, a todos los niveles de presión comprendidos entre la presión atmosférica (1 bar aproximadamente) y  16 bar.

Modelo teórico:

La relación entre la temperatura de saturación (vaporización) y la presión ha sido estudiada por Clausius-Clapeyron quien  propone la ecuación siguiente para representar la pendiente de la curva obtenida al representar la temperatura versus la presión absoluta (T vs P).

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T   =  temperatura absoluta [K]

P  =  presión absoluta [bar]

υg =  volumen específico del vapor [m3/kg)]

υf =  volumen específico del agua líquida [m3/kg)]

hg =  entalpia específica del vapor saturado [kJ/kg)]

hf =  entalpia específica del agua líquida saturada [kJ/kg)]

υf 〈〈〈 υg

Valores experimentales

Durante este laboratorio se tomarán datos experimentales con los cuales se calculará la pendiente de la curva de equilibrio, (dT/dP)EXPERIMENTAL  y podrá compararse con la pendiente teórica  [pic 3][pic 4][pic 5]calculada en base a las tablas de propiedades del agua.

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Cabe notar que la presión que se registra en la pantalla es la presión manométrica o relativa; por consiguiente, debe sumarse la presión atmosférica (igual a 1 bar) para obtener la presión absoluta.

COMPONENTES DEL HERVIDOR DE MARCET:

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