Práctica 7

Balance de energía en sistemas termodinámicos abiertos

Objetivos

a) Identificar de forma objetiva los términos que intervienen en la ecuación de la primera ley

para sistemas abiertos.

b) Identificar en un dispositivo experimental cada uno de los términos de la primera ley de la

Termodinámica para sistemas abiertos.

c) Realizar el balance de energía, en el dispositivo experimental, que nos permita cuantificar el

flujo de masa en el sistema.

d) Comparar el flujo de masa calculado con el que se mide experimentalmente.

e) Explicar las razones de las diferencias entre los valores de los incisos anteriores. a

Equipo y materiales

2 termómetros de inmersión.

4 cables largos de conexión (2 de color rojo y 2 de color negro).

1 calorímetro de flujo continuo.

1 base.

1 varilla de 1 [m].

1 tornillo de sujeción con gancho.

1 fuente de poder de 0 a 40 [V].

1 cronómetro.

1 recipiente de 15 [l].

1 recipiente graduado de 2 [e].

1 destornillador plano.

1 flexómetro.

Desarrollo de actividades

Actividad 1

Instale el calorímetro de flujo continuo a la toma de agua de la tarja de la mesa. Al llenar con

agua aproximadamente el 80% del aparato, elimine el aire que quedó atrapado al principio del

tubo, y al lograrlo, apriete la abrazadera que une el aparato a la toma de agua.

Actividad 2

Abra muy poco la llave para establecer un flujo estable de agua y recupere el líquido en un

recipiente grande. Observe las lecturas de los termómetros en los puntos 1 y 2, registre, dicho

valor en la escala de

Celsius.

T1= T2 = 21.5 [°C ]

Actividad 3

Energice el calorímetro en el instante t0= 0 [s], con la diferencia de potencial nominal máxima

de la fuente de poder (V12) y mida tanto este valor como la corriente eléctrica en el calorímetro.

A partir de este instante, recolecte el agua que pasa por el calorímetro para determinar el

volumen que se acumulará.

V12 = 40 [V] e i = 2.58 [A]

Actividad 4

Calcule la potencia eléctrica suministrada por la fuente:

Pelec= V12i; Pelec= 103.2 [W]

Actividad 5

Registre los datos y valores de las propiedades del agua (nuestro sistema) que permitan

calcular el flujo de masa en el calorímetro.

T1 = 21.5 [°C ] y T2 = [23.3 ]

z1 = .53 [m] y z2= .85 [m ]

¿Qué otros datos se requieren?

m= 1.7 [kg] t= 240 [s]

Actividad 6

Mida el volumen de agua acumulado en el recipiente.

V= 1700 [cm3] = 1.7x103 [m3]

Cuestionario

1.- Si la ecuación de la primera ley de la termodinámica para un proceso, en un sistema abierto,

como el realizado en esta práctica se puede escribir como:

me (gze |ve|

ue) ms (gzs

|vs|

us) { } { }eje { }flujo { }exp

( C)sistema abierto

donde: { }flujo me( eve)-ms( svs),

escriba la ecuación resultante al considerar que el proceso se realizó con flujo estable

(permanente) y estado estable.

m[(gze ue) (gzs us)] { } { }flujo

2.- ¿Cuál(es) de las tres afirmaciones siguientes es(son) razonable(es) considerar para este

caso?

{ }eje { }flujo { }exp

Para efectos de ésta práctica es factible considerar que { }eje y { }exp ya que no se

está realizando algún trabajo al sistema y dado que el fluido utilizado es un líquido no puede

haber trabajo de expansión, ya que los líquidos son incompresibles.

3.- Aplicando el principio de continuidad, ¿cómo consideraría el módulo de la velocidad de

salida con respecto al módulo de la velocidad del agua de entrada?

Dado que el sistema opera bajo régimen estacionario y el área de la sección transversal de la

manguera utilizada es igual en toda su extensión se puede considerar que el módulo de las

velocidades tienen la misma magnitud.

4. ¿ s válido cuantificar la variación de la entalpía específica h, como h = cp T? xplique.

Sí es válido, ya que cp h

t, además de que la presión en el experimento es constante, y esta

expresión es válida para cualquier fluido.

5. Calcule el flujo de masa que nos resulta con la primera ley de la termodinámica.

dm

dt | |

6. Determine el flujo de masaexp m obtenido experimentalmente y compárelo con el obtenido

en la pregunta anterior.

0.007683 [kg/s]

Conclusiones

Los sistemas termodinámicos abiertos son aquellos en los cuales hay transferencia tanto de

energía como de masa. Para su estudio es necesario modelar de manera teórica su

comportamiento, estos modelos deben ser validados mediante experimentaciones que se

puedan realizar en un laboratorio. Para poder llevar acabo un buen experimento, y por ende, un

buen modelado teórico es importante identificar los términos que intervienen en la ecuación de

la primera ley para sistemas abiertos, ya que es el tipo de sistemas que se analizaron en la

práctica. Cada uno de estos elementos es importante conocerlos de la manera más objetiva

posible, debido a que previene que se puedan generar errores a la hora de hacer tanto

operaciones como mediciones; los elementos identificados son la diferencia de energía

mecánica, el calor, el trabajo asociado y la diferencia de entalpias. Es importante tener en

cuenta los elementos que se quieren obtener para no caer en redundancias o que se puedan

caer en confusiones de interpretación de datos, ya que esto puede generar un error alto a la

hora de efectuar las operaciones.

Cuando se tienen los elementos que se necesitan para poder hacer la ecuación de la primera

ley para sistemas abiertos, lo que sigue es identificar en el dispositivo experimental usado en la

práctica cómo es que se pueden obtener cada uno de ellos, ya sea de manera directa o

mediante la aplicación de fórmulas que nos permitan su obtención. Es importante recalcar que

esto es de vital importancia ya que si se maneja de buena manera el dispositivo y se conoce

para qué funciona cada una de sus componentes podremos obtener lecturas óptimas y

aproximarnos mejor al valor real.

Ya que se tienen bien identificados los elementos tanto en el dispositivo como en la ecuación,

ahora si es simple realizar el balance de energía, ya que se tiene conciencia de qué elementos

se van a ocupar para realizarlo, los procesos que algunos requieren para la obtención de

ciertos valores necesarios para el balance y los valores arrojados por los dispositivo. Sin

embargo, una parte importante de este experimento fue calcular el flujo de masa que está

presente en el sistema, el cual fue necesario calcular para poder determinar otros valores

importantes. Cabe mencionar que éste no sale directamente de las lecturas tomadas del

dispositivo, sino que se debe tener ciertos conocimientos previos para poder determinarlo a

partir de los datos arrojados por el dispositivo con el que se trabajó.

A pesar de las precauciones que se tengan al realizar un experimento, siempre es necesario

determinar algunos valores de manera teórica, como lo fue en este caso el flujo de masa; esto

nos puede dar una idea de cuánto se tuvo de error al tomar las lecturas, ya sea por el

porcentaje de error que tenga el instrumento o por el error humano a la hora de tomar las

lecturas. En este caso, el flujo de masa nos da una idea de qué tan alejado está el valor teórico

del valor experimental, lo cual no solo puede atribuirse a las variaciones que se tienen a la hora

de tomar las lecturas, sino también a las del medio ambiente, ya que las que se obtienen a

partir del valor teórico son en condiciones óptimas de ambiente controlado, mientras que las

que se realizan en el laboratorio son condiciones normales propias de la Ciudad de México.

Comentarios

Esta práctica fue muy ilustrativa acerca del funcionamiento de los sistemas abiertos; esto nos

ayuda a consolidar los conocimientos adquiridos en la materia teórica, además de ver como se

comporta el fenómeno.

Es importante recalcar que también la máquina empleada para calentar el calor fue importante

en el proceso ya que esto permitía que se genere calor en el sistema, dependiendo del voltaje

ocupado para este proceso. Cabe señalar que las mediciones se tomaron de la mejor manera

que se pudo para poder obtener un error mínimo respecto al valor teórico que se calculó con la

fórmula de acuerdo a las especificaciones del experimento.

El tiempo fue factor determinante a la hora de hacer los cálculos del flujo de la masa y demás

elementos del experimentos, esto debido a que si no se empezaba el experimento

precisamente en el momento en que empezara a funcionar el cronómetro, esto empezaría a

generar errores, al igual que si se hubiera dejado correr el tiempo aunque el experimento ya se

haya concluido. Por eso es necesario tener un buen manejo de los instrumentos del laboratorio,

además de conocer las maneras en que se toman las medidas de mejor manera, como es el

caso del volumen en un vaso de precipitados.

Apéndice

Medición Temperatura [°C]

T1 21.5

T2 21.5

Tabla 1. Datos de la actividad 2

Calorímetro Voltaje [V] Intensidad

t=0[s] 40 2.58

Tabla 2. Datos de la actividad 3

Fórmula de potencia eléctrica Potencia eléctrica [W]

Pelec= V12i 103.2

Tabla 3. Datos de la actividad 4

Puntos Temperatura [°C] Alturas [m]

Punto 1 21.5 0.53

Punto 2 23.3 0.58

Tabla 4. Datos obtenidos en la actividad 5

Otros datos Masa [kg] Tiempo [s]

1.7 240

Tabla 5. Otros datos obtenidos en la actividad 5

Sustancia Volumen acumulado

[cm3]

Volumen acumulado [m3]

Agua 1700 1.7

Tabla 6. Datos obtenidos de la actividad 6

Bibliografía

Aguirre, Gámez y Jaramillo. Cuaderno de Prácticas de Principios de Termodinámica y

Electromagnetismo. Facultad de Ingeniería. UNAM, 2006,