La termodinámica se define como la ciencia de la energía, cabe mencionar que la energía es la capacidad para producir cambios.
La palabra
... [Show More] termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dynamis (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia.
Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de la conservación de la energía. El cual establece que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante, es decir la energía no puede crearse ni destruirse. Esto se conoce como la primera ley de la termodinámica.
Según la segunda ley de la termodinámica, la energía posee tanto calidad como cantidad y los procesos tienden a disminuir la calidad de energía
Para poder describir la primera experiencia realizada durante el laboratorio, es necesario definir algunos conceptos previos que nos facilitarán el entendimiento de este.
Presión: La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. La presión solo se emplea cuando se trata de un gas o un líquido. Ésta aumenta con la profundidad como resultado del peso del mismo fluido. Este aumento se debe a que el fluido a niveles más bajos soporta más peso que el fluido a niveles más altos.
La presión se mide en Pascales (Pa) que es equivalente a 1N/m^2. Sin embargo la presión pascal es muy pequeña por lo que en la práctica se utilizan sus múltiplos kilopascal (1kPa = 10^3 Pa) y megapascal ( 1Mpa= 10^6 Pa).
La presión real en una posición dada se denomina presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto, es decir la presión del cero absoluto. Sin embargo, en la practica la mayor parte de los dispositivos que miden presión se calibran para leer el cero en la atmosfera y por ello indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica total. Esto último se conoce como presión manométrica. Las presiones por debajo de la presión atmosférica reciben el nombre de presiones de vacío y se miden con medidores de vacío.
En resumen, Pmanometrica = Pabsoluta – Patmosferica
Pvació = Patmosferica – Pabsoluta
Sustancia pura: Una sustancia que tiene una composición química fija recibe el nombre de sustancia pura, por ejemplo; el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono son sustancias puras.
Fases de una sustancia pura: Las sustancias existen en fases diferentes, a una temperatura y presión determinada. En condiciones diferentes, cada sustancia pura aparece en una fase diferente, aunque hay tres fases principales; sólida, líquida y gaseosa. Tomando el ejemplo del laboratorio, se utiliza agua como sustancia pura, y el agua pose diversos cambios de fase que se describen a continuación.
Líquido comprimido: Es un estado en el que el líquido no está a punto de evaporarse y el agua solo existe en estado líquido. Cabe mencionar que su temperatura debe ser muy baja, ya que la temperatura es directamente proporcional a la presión, es decir a menor temperatura, menor es la presión, por lo tanto, podemos deducir que el líquido en esta fase se encuentra frío.
Líquido saturado: Para comprender este estado, vayamos al ejemplo de tener un recipiente con líquido comprimido y le aumentamos la temperatura. Al aumentar su temperatura el agua tendrá cierta expansión y por ello aumentará su volumen específico. Cuando nuestro liquido comprimido reciba suficiente calor tal que llegará a punto en el cual está apunto de evaporarse. Este estado de nuestro líquido recibe el nombre de líquido saturado.
Vapor saturado: Este estado es muy similar al líquido saturado hablando en temas de sentido, es decir, en vez de pasar de un líquido apunto de evaporarse, se pasa de un vapor que está apunto de condensarse, en otras palabras, vapor saturado es la fase donde un vapor está apunto de condensarse. Cualquier perdida de temperatura de un vapor lo condensa levemente. Además, una vez que empieza la ebullición, el aumento de temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapore por completo.
Vapor sobrecalentado: Si un líquido llega al estado de vapor saturado y su temperatura continúa aumentando, llegará al estado de vapor sobrecalentado. En este estado el vapor no está apunto de condensarse, es decir puede perder calor y este no se condensará.
Temperatura de saturación: A una presión dada, la temperatura a la cual una sustancia pura empieza a hervir se llama temperatura de saturación Tsat.
Presión de saturación: Del mismo modo que el anterior, a una temperatura determinada, la presión a la cual la sustancia empieza a hervir recibe el nombre de presión de saturación Psat.
Para resumir estos conceptos usaremos el diagrama T-v del agua, el cual representa el proceso de calentamiento del agua a presión constante.
Nótese que los puntos 2 y 4 representan los estados de líquido saturado y vapor saturado respectivamente. Es decir, en esos estados el agua se encuentra a punto de condensarse en su totalidad o de evaporarse en su totalidad. Mezcla saturada representa la combinación entre el estado líquido y el gaseoso, acá aparece el concepto de calidad que es el porcentaje de vapor presente en la sustancia. Vapor sobrecalentado es el estado en donde el agua no está apunto de evaporarse y liquido comprimido es el estado donde el agua no está apunto de condensarse.
Laboratorio N°1 Caldera
Ya se han explicado conceptos básicos de la termodinámica para comprender la primera experiencia realizada en el laboratorio.
Nuestra primera experiencia consiste en calentar agua destilada en una caldera e ir tomando los datos de presión y temperatura del agua. ¿Por qué usamos agua destilada y no agua común y corriente? Porque el agua destilada no contiene sales ni minerales ni bacterias, por lo que es un agua blanda (que posee un nivel muy bajo de impurezas) y al ser blanda se evita la formación de residuos sólidos en el interior de la caldera y para evitar la corrosión de esta.
La presión será medida mediante un manómetro el cual está conectado a la caldera. Un manómetro es un instrumento que de medición para la presión de fluidos contenido en recipientes cerrados. En el apartado de presión se explicó que la presión manométrica era equivalente a la diferencia entre presión manométrica y presión atmosférica (Pmanometrica = Pabsoluta – Patmosferica). Un manómetro utiliza como referencia a la presión atmosférica y mide la diferencia entre presión real o absoluta y la presión atmosférica.
La temperatura será medida con el panel de control el cual podemos ver a continuación en la figura
La caldera calienta el agua mediante trabajo eléctrico que pasa por un sistema de resistencias, el cual se posiciona por debajo de la caldera.
Ahora se enciende la caldera y se espera a que llegue a 100°C y se comienza a medir la presión a partir de dicha temperatura. En la experiencia se midió la presión hasta 10 bar y se obtuvieron 17 medidas de presión y temperaturas. Estas medidas serán comparadas con los datos tabulados en el libro termodinámica de Dr. Yunus A. Cengel. Se utilizará la tabla de temperaturas para agua saturada (tabla A-4)
Temperatura (°C) Presión (kPa)
100 200
115,4 250
122,3 300
128,8 350
134,8 400
139,1 450
143,8 500
147,3 550
150,7 600
153,2 650
156,4 700
159,7 750
162 800
164,9 850
167,4 900
169,4 950
171,5 1000
Tabla 1 Datos de temperatura y presión obtenidos en la experiencia
Temperatura (°C) Presion de saturación (kPa)
100 101,42
115,4 171,53
122,3 214,1
128,8 261,14
134,8 311,52
139,1 352,83
143,8 402,68
147,3 443,5
150,7 485,58
153,2 519,25
156,4 564,41
159,7 613,74
162 651,31
164,9 699,27
167,4 744,73
169,4 781,23
171,5 822,3
Tabla 2 Datos de la tabla A-4 según la temperatura obtenida en la experiencia
Temperatura de saturación (°C) Presion (kPa)
120,21 200
127,41 250
133,52 300
138,86 350
143,61 400
147,9 450
151,83 500
155,46 550
158,83 600
161,98 650
164,95 700
167,75 750
170,41 800
172,94 850
175,35 900
177,66 950
179,88 1000
Tabla 3 Datos de la tabla A-5 según la presión obtenida en la experiencia
Se mencionó que el manómetro de la caldera trabaja con Bar y en la tabla 1 la presión esta medida en kPa. Se hizo la transformación de medida de Bar a kPa, esto se hizo para trabajar con las mismas unidades de los datos tabulados.
¿Cómo se obtuvieron las tablas?
El objetivo del laboratorio era obtener los datos de presión y temperatura y tabularlos, para luego compararlos con los datos tabulados del libro “termodinámica” del autor Dr. Yunus. A Cengel. Esto está descrito en la tabla 1.
Para la tabla 2, se utilizó la tabla A-4 del libro la cual determina la presión de saturación mediante una determinada temperatura. Las temperaturas utilizadas fueron las de la experiencia, mientras que los datos de presión saturadas se obtuvieron con el método de interpolación. Este método se explica a continuación.
La interpolación nos ayuda a conocer datos termodinamicos que no estan tabulados, como en la figura . Supongamos que se desea obtener las propiedades para una T° de 30°C, es cuestión de observar y notar que el dato no se encuentra en la tabla.
Para poder encontrar nuestro dato de 38°C utilizamos la fórmula de interpolación.
Donde Yx es el valor de la propiedad a determinar. Supongamos que queremos determinar la presión a 38°C nuestro Yx es Psat a 38°c.
Yo y Y1 son las presiones de asociadas a las temperaturas de referencia, en este caso Yo = 5.6291
Y1 = 7.3581.
Xo y X1 son los valores más próximos al del dato deseado, es decir, si deseamos obtener los datos a 38°C, los valores que contienen este 38°C son los 35°C y los 40°C, para este caso Xo = 35°C y X1 = 40°C
X es el valor conocido deseado, en esto caso son los 38°C
Luego de definir nuestros valores, reemplazamos en la fórmula de interpolación
De esta forma se obtuvieron los valores de la tabla 2.
Finalmente, con respecto a la tabla 3 se utiliza la tabla A-5, la cual nos indica el valor de la temperatura de saturación a una determinada presión
Discusión
Observamos al comparar las tres tablas que el valor “teórico” (datos tabulados del libro) y el valor obtenido son distintos, sin embargo, la diferencia no es mucha, por lo que podríamos deducir que posiblemente existan errores en la medición. Esto lo comprobaremos mediante herramientas estadísticas, como el error absoluto, el error relativo y nuestro valor aceptado. En este caso usaremos solo la tabla 1 y compararemos con las tablas 2 y 3.
Para la temperatura
Compararemos la temperatura medida versus la temperatura tabulada. Obtendremos el error absoluto, el que se define como la diferencia entre el valor de la medición y el valor exacto (en este caso el teórico).
Temperatura (°C) Temperatura (°C) Error absoluto (Error Absoluto)^2 Error relativo (%) Valor aceptado(Promedio de T±S)
100 120,21 20,21 408,4441 16,81224524 110,105 ±9,95286923
115,4 127,41 12,01 144,2401 9,426261675 121,405 ±9,95286924
122,3 133,52 11,22 125,8884 8,40323547 127,91 ±9,95286925
128,8 138,86 10,06 101,2036 7,244706899 133,83 ±9,95286926
134,8 143,61 8,81 77,6161 6,134670288 139,205 ±9,95286927
139,1 147,9 8,8 77,44 5,949966193 143,5 ±9,95286928
143,8 151,83 8,03 64,4809 5,288809853 147,815 ±9,95286929
147,3 155,46 8,16 66,5856 5,248938634 151,38 ±9,95286930
150,7 158,83 8,13 66,0969 5,11868035 154,765 ±9,95286931
153,2 161,98 8,78 77,0884 5,420422274 157,59 ±9,95286932
156,4 164,95 8,55 73,1025 5,183388906 160,675 ±9,95286933
159,7 167,75 8,05 64,8025 4,79880775 163,725 ±9,95286934
162 170,41 8,41 70,7281 4,935156388 166,205 ±9,95286935
164,9 172,94 8,04 64,6416 4,649011218 168,92 ±9,95286936
167,4 175,35 7,95 63,2025 4,533789564 171,375 ±9,95286937
169,4 177,66 8,26 68,2276 4,649330181 173,53 ±9,95286938
171,5 179,88 8,38 70,2244 4,65866133 175,69 ±9,95286939
9,520588235 1684,0133
Desviación estándar
9,952869229
Nuestro error relativo nos indica que efectivamente existen errores de medición en la temperatura, además nos indica nuestro porcentaje de error, por ejemplo, en la primera medición tenemos un error de 16,81%. Y nuestro valor aceptado es el promedio entre la temperatura teórica y la obtenida ± la desviación estándar.
Para la presión
Comparamos nuevamente nuestros valores medidos versus nuestros valores teóricos y obtenemos nuestro error relativo, error relativo porcentual y nuestro valor aceptado.
Presión (kPa) Presión (kPa) Error absoluto (Error Absoluto)^2 Error relativo (%) Valor aceptado(Promedio de T±S)
200 101,42 98,58 9718,0164 97,19976336 150,71 ±124,9402629
250 171,53 78,47 6157,5409 45,74709963 210,765 ±124,9402630
300 214,1 85,9 7378,81 40,12143858 257,05 ±124,9402631
350 261,14 88,86 7896,0996 34,02772459 305,57 ±124,9402632
400 311,52 88,48 7828,7104 28,40267078 355,76 ±124,9402633
450 352,83 97,17 9442,0089 27,54017516 401,415 ±124,9402634
500 402,68 97,32 9471,1824 24,1680739 451,34 ±124,9402635
550 443,5 106,5 11342,25 24,01352875 496,75 ±124,9402636
600 485,58 114,42 13091,9364 23,56357346 542,79 ±124,9402637
650 519,25 130,75 17095,5625 25,18054887 584,625 ±124,9402638
700 564,41 135,59 18384,6481 24,02331638 632,205 ±124,9402639
750 613,74 136,26 18566,7876 22,20158373 681,87 ±124,9402640
800 651,31 148,69 22108,7161 22,82937464 725,655 ±124,9402641
850 699,27 150,73 22719,5329 21,55533628 774,635 ±124,9402642
900 744,73 155,27 24108,7729 20,84916681 822,365 ±124,9402643
950 781,23 168,77 28483,3129 21,60311304 865,615 ±124,9402644
1000 822,3 177,7 31577,29 21,61011796 911,15 ±124,9402645
121,1447059 265371,178
Desviación estándar
124,9402629
conclusión
En conclusión, con nuestro respecto a la experiencia de la caldera. La diferencia obtenida por los valores teóricos y los valores medidos es aceptable según el indicador estadístico del valor aceptado. Además, cabe mencionar que presión y temperatura están directamente relacionadas, como se observa en las tablas, si aumenta la presión aumenta la temperatura.
Una de las preguntas durante el laboratorio fue si ¿Se puede tener agua líquida a una temperatura muy elevada? Efectivamente se puede, solo basta con aumentarle la presión al agua, debido a que al tener una mayor presión la temperatura critica (la que es necesaria para evaporarse) aumenta. Por ejemplo, se puede tener agua a 370°C a una presión de 21.004 kPa (según la tabla A-4)
Laboratorio N°2 Manómetro
Antes de comenzar a describir la experiencia, definiremos de manera más específica el instrumento llamado manómetro.
Las diferencias pequeñas y moderadas de presión se miden con el dispositivo conocido como manómetro, el cual se compone de un tubo de vidrio o plástico en forma de U, este contiene fluido como mercurio, agua, alcohol o aceite. Si se utiliza para medir escalas grandes de presión, se utiliza un fluido más pesado como lo es el mercurio.
En la experiencia n°2 se realizan 10 mediciones de h (ver figura) en un manómetro al cual se le aplica mercurio. [Show Less]