protocolo de practicas de termodinámica 2015

8/20/2019 Protocolo de Practicas de Termodinámica 2015

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TECAMAC

A-5 TERMODINÁMICA

SEGUNDO CUATRIMESTRE

PROTOCOLO DE PRACTICAS

REVISADO POR LA ACADEMICA DE CIENCIAS BÁSICAS


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICAS

Este manual ha sido diseñado por el profesor responsable

de la Asignatura de Termodinámica del A-5, la M. en

C. Elizabeth Margarita Silva Rodriguez en

colaboración con el IBQ. Francisco Javier Manriquez

Rojas.

Termodinámica es parte del Programa Educativo de

Ingeniería en Biotecnología de la Universidad

Tecnológica de Tecámac, impartida en 2º

cuatrimestre.

Las prácticas que se describen, se llevaran a cabo en el

Laboratorio pesado del Edificio F de la Institución,

donde se encuentran los equipos y los técnicos

responsables para el desarrollo de éstas.

Revisó Academia de Ciencias Básicas.


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TERMODINÁMICA


ContenidoPRACTICA 1. Instrumentos de medición de temperatura ................................................................... 4

Objetivo ........................................................................................................................................... 4

Material ........................................................................................................................................... 4

Introducción .................................................................................................................................... 4

Metodología .................................................................................................................................... 5

Resultados y análisis de resultados ................................................................................................. 5

Cuestionario .................................................................................................................................... 5

Conclusiones ................................................................................................................................... 6

Bibliografía ...................................................................................................................................... 6

PRACTICA 2. Instrumentos de medición de presión ........................................................................... 7

Objetivo ........................................................................................................................................... 7

Material ........................................................................................................................................... 7

Introducción .................................................................................................................................... 7Metodología .................................................................................................................................. 11

Resultados y análisis de resultados ............................................................................................... 12

Conclusiones ................................................................................................................................. 12

Referencias .................................................................................................................................... 12

PRACTICA 3. Máquina Térmica ......................................................................................................... 13

Objetivo ......................................................................................................................................... 13

Material ......................................................................................................................................... 13

Introducción .................................................................................................................................. 13

Metodología .................................................................................................................................. 16

Resultados y análisis de resultados ............................................................................................... 16

Conclusiones ................................................................................................................................. 16

Referencias .................................................................................................................................... 16


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TERMODINÁMICA


PRACTICA 1. Instrumentos de medición de temperatura

Objetivo

Comprender el funcionamiento de los diferentes instrumentos de medición de temperatura.

Material

Laboratorio FB-05

- Punta infrarroja para temperatura, Almacen 1, Marca: FLUKE

-

Neumática básica UNI TPN-2110, Tablero color negro con plateado, Marca: DEGEM SYSTEMS

PN 2001 Tablero Maestro Universal para Neumática

PN 2003 Compresor Estándar para el Laboratorio PN 2000

PN 2100 Equipo de Capacitación en Neumática Básica

PN 2200 Equipo de Capacitación en Neumática Avanzada

PN 2300 Equipo de Capacitación en Electro-Neumática Básica

PN 2400 Equipo de Capacitación en Electro-Neumática Avanzada

PLC-100 Controlador Lógico Programable

PN 2160 Juego de Accesorios para Laboratorio PN 2000

IntroducciónLa medida de la temperatura es una de las más comunes e importantes que se efectúan en los

procesos industriales.

Existen diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y que son utilizados para

medirla:

a. Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases)

b. Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia)

c.

Variación de resistencia de un semiconductor (termistores)

d.

f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares)e.

Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radicación)

f.

Otros fenómenos utilizados en el laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia

de resonancia de un cristal, etc.).

De este modo se emplean los instrumentos siguientes:

1.

Termómetros de vidrio 2.

Termómetros bimetálicos


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICAS3. Elementos primarios de bulbo y

capilar rellenos de líquido, gas o

vapor.

4.

Termómetros de resistencia

5. Termopares

6. Pirómetros de radiación

7.

Termómetros ultrasónicos

8.

Termómetros de cristal de cuarzo

En la siguiente tabla se presentan los instrumentos de medición de temperatura y la propiedad

termométrica aplicable (Sole, 2006).

Instrumento Propiedad termométrica

Columna de mercurio, alcohol, etc. En un capilar de vidrio LongitudGas a volumen constante Presión

Gas a presión constante VolumenTermómetro de resistencia Resistencia eléctrica de un metal

Termistor Resistencia eléctrica de unsemiconductor

Par termoeléctrico f.e.m. termoeléctrica – efectoSeebeck

Pirómetro de radiación total Ley de Stefan – BoltzmannPirómetro de radiación visible Ley de Wien

Espectrógrafo térmico Efecto DopplerTermómetro magnético Susceptibilidad magnética

Cristal de cuarzo Frecuencia de vibración

MetodologíaI.

Reconocimiento de instrumentos de medición de temperatura.

El técnico de laboratorio mostrara y explicara el fundamento y las partes de los

instrumentos de medición de temperatura existentes en el laboratorio pesado FB 05

II. Medición de temperaturas

Los alumnos realizarán mediciones de temperatura de sustancias como agua y aire

presentes en los equipos del laboratorio pesado FB 05

Resultados y análisis de resultados

o Esquematiza los tipos de termómetros vistos en el laboratorio pesado, indicando su

fundamento y sus partes.

o Justifica la propiedad termométrica.

Cuestionario

1.

Definición de temperatura

2.

Lista de propiedades físicas de los materiales que dependen de la temperatura


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICAS3. Describe las escalas de Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Ranking y Reaumur. Dibuja los

instrumentos.

4.

Completa la siguiente tabla:

5.

Conversión de: A: Formula:

Fahrenheit CelsiusCelsius FahrenheitFahrenheit KelvinKelvin FahrenheitFahrenheit RankingRanking FahrenheitFahrenheit RéaumurRéaumur Fahrenheit

6. Describe cada uno de los 8 instrumentos de medición de temperatura descritos en la

introducción.

7.

Menciona que instrumentos aplican a tu carrera.

Conclusiones

Bibliografía

Sole, A. C. (2006). Medida de temperaturas. En A. C. Sole, Instrumentación Industrial (págs. 231-

300). México: Alfaomega.

Wark, K. (2006). Termodinámica. Mc. Graw-Hil.


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICASPRACTICA 2. Instrumentos de medición de presión

ObjetivoComprender el funcionamiento de los diferentes instrumentos de medición de presión.

Material

Laboratorio FB-05

-

Manómetros

-

Banco de estudio de compresores Marca: DIDATEC TECNOLOGY

Introducción

La presión es la fuerza por unidad de superficie, cuando la fuerza es perpendicular a dicha

superficie. Esto es lo que ocurre comúnmente en fluidos confinados.

La presión siempre se mide respecto a una referencia o valor patrón, la cual puede ser el vacío

absoluto u otra presión como en el caso más común en que se trata de la presión atmosférica.

Según la referencia de presión utilizada se le dan nombres distintos a las medidas de presión

Las unidades de presión expresan una unidad de fuerza sobre unidad de área. Las más usadas son

Kg/cm2, psi (lbf /in2), Pascal (N/m2), bar, atmósfera, Torr (mm de columna de Hg). (Wark, 2006)

Completa la tabla:

Unidad Psi Pa Kg/cm2

Bar Atmósfera Torr cmH2Oin H2O in Hg

PsiPa

Kg/cm2 Bar

AtmósferaTorr

Cm H2O

in H2Oin Hg

En la siguiente figura se describen los diferentes tipos de presión.


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TERMODINÁMICA


Los instrumentos para medir presión pueden ser de elementos: i) mecánicos, ii) electromecánicos

y iii) electrónicos de vacío.

Elementos mecánicos

Dentro de los elementos mecánicos, se pueden dividir en elementos primarios de medida directa,

que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas

(barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro

pendular, manómetro de campana) y en elementos primarios elásticos que se deforman con la

presión interna del fluido que contienen.

Los elementos primarios elásticos más empleados son el tubo de Bourdon, el elemento en espiral,

el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

Los materiales empleados normalmente son acero inoxidable, aleación de cobre o níquel o

aleaciones especiales de hastelloy y monel.

En la siguiente figura se muestra un manómetro de Bourdon


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TERMODINÁMICA


Manómetro de Bourdon

Elementos electromecánicos

Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico combinado con el

transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. Los elementos

electromecánicos se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos:

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

o Resistivos

o Magnéticos

o

Capacitivos

o

Extensométricos

o

Piezoeléctricos

Elementos electrónicos de vacío

Los elementos electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y

se clasifican en:

o

Mecánicos: fuelle y diafragma

o

Medidor McLeod

o Térmicos: termopar, pirani, bimetal

o Ionización: filamento caliente, cátodo frío.


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICASPresión en fluidos

Fluidos estáticos

En un fluido estático la presión en un punto dado es igual al peso de la columna de líquido porunidad de área. Dicho de otra forma en un líquido la presión será igual a la altura de la columna de

líquido (h) por el peso específico (γ ): P = γh

Entonces la presión en un líquido será directamente proporcional a la altura de líquido sobre él.

Fluidos en movimiento

En un fluido en movimiento se presentan diversos tipos de presiones.

a.

Presión estática Es la presión ejercida por el fluido en todas sus direcciones. Esta

corresponde a la presión que se mediría con un instrumento que se mueve con el fluido.Para medirla se puede usar una toma perpendicular a la dirección del flujo.

b.

Presión dinámica Es la presión que se produce por el efecto de la velocidad del fluido. Esta

se ejerce solamente en la dirección del fluido. En un fluido estático la presión dinámica es

cero. Para medirla se debe hacer la diferencia entre la presión de estancamiento y la

presión dinámica.

Medidores de presión de columna de líquido.

Es el instrumento más simple, directo y exacto para la medición de presión. Trabajan

aprovechando el principio de los vasos comunicantes, y utilizan el efecto de la presión de una

columna de líquido para la indicación del valor de la presión medida. Por lo general están limitadosa la medición de presiones dif erenciales por debajo de los 200 KPa (≈30 psi). Esto debido a la

resistencia del material del tubo (vidrio generalmente) y a la longitud que deberían tener estos

para presiones mayores. En la siguiente Figura está el manómetro de tubo en U y el de pozo y

brazo alargado.


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICASLiquido manométricos

Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a medir y que

nos sea miscible en él, agua para aire o mercurio para agua. El líquido manométrico debe

seleccionarse función de sus características y del proceso a medir.

El primer parámetro en esta selección es el rango de presiones que se quiere medir, en función de

esto:

Para bajas presiones (0 a 7 KPa ≈ 1 psi) se deben usar líquidos inorgánicos de baja densidad.

o

Aceites

o Glicerina

Para presiones medianas (0 a 17 KPa ≈ 2.5 psi) se puede usar agua.

Para presiones altas (0 a 70 KPa ≈ 10 psi) se debe usar mercurio

Los líquidos manométricos más usados son el agua y el mercurio.

Ventajas Desventajas

Agua • Económica • No tóxica • Insoluble en algunos líquidos (aceites)• Densidad menor al mercurio lo que

permite mayor sensibilidad

• Punto de fusión 0 ºC • Punto de ebullición 100ºC • Moja las paredes del recipiente • Tiene una presión de vapor alta • Densidad menor al mercurio permite solo

un rango menor MercurioMercurio • Bajo punto de fusión -39 ºC

• Alto punto de ebullición 357 ºC • Baja presión de vapor a temperatura

ambiente• No moja las paredes del recipiente • Insoluble en muchos líquidos comunes

• Se amalgama con muchos metales • Es costoso• Es tóxico

Metodología

El técnico responsable del laboratorio explicará el fundamento de los instrumentos para medir

presión

El técnico mostrará como ajustar condiciones de aire en el equipo correspondiente

El alumno realizara mediciones de presión de aire a diferentes condiciones de temperatura

El alumno registrará los datos obtenidos en la tabla de resultados


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICASResultados y análisis de resultados

1. Ilustrar el diagrama de los instrumentos para medir presión

2. Completará la siguiente tabla:

Aire en: Flujo de aire (L/s) Temperatura (°C) Presión (psia) Presión (kgf/cm2)Condición 1

Condición 2Condición 3

Condición 4

Condición 5

Conclusiones

Referencias

Boles, C. (2012). Termodinámica. México D.F.: Mc Graw Hill.





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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICASPRACTICA 3. Máquina Térmica

ObjetivoReconocer los componentes de una maquina termodinámica inversa.

Material

Laboratorio FB-08

Refrigerador, donde estén visibles sus componentes:

- Compresor

-

Evaporador

-

Condensador

-

Válvula de expansión

Introducción

Maquina térmica

Es un sistema termodinámico cerrado que transforma calor en trabajo y que funciona en ciclos

(Boles, 2012).

La máquina térmica ésta formada por:

-

Fuente de calor: es el deposito térmico caliente, que transfiere calor al operante

-

Receptor frio: es el depósito térmico frio, que absorbe calor del operante- Operante: es la sustancia de trabajo de la máquina, que cede o absorbe calor de los

respectivos depósitos

- Maquina: es la estructura física que contiene a los dos depósitos térmicos, conexiones y al

operante.

En la siguiente figura se muestra un diagrama de los equipos que conforman una maquina térmica.

Se observan cuatro procesos: calentamiento (en la caldera), enfriamiento (en el condensador),

compresión (en la bomba) y expansión (en la turbina). Y los componentes: fuente de calor es la

caldera, receptor frío es el condensador, operante es el fluido que está circulando en ciclos y

máquina que consta de los 4 sistemas abiertos.


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TERMODINÁMICA


Bomba de calor

Es un sistema termodinámico que opera en forma inversa a la máquina térmica, es decir

transforma trabajo en calor. En la siguiente Figura se observan las diferencias:

Refrigerador

Es un ejemplo de bomba de calor. El ciclo termodinámico incluye como operante a un líquido

frigorífico.

Un refrigerante es un producto químico líquido o gaseoso, fácilmente licuable, que es utilizado

como medio transmisor de calor entre otros dos en una máquina térmica. Los principales usos son


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TERMODINÁMICA

PROTOCOLO DE PRÁCTICASlos refrigeradores y los acondicionadores de aire. Cada refrigerante tiene un diagrama con sus

propiedades termodinámicas; las características de este tipo de fluidos son:

o Punto de congelación. Debe de ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema,

para evitar congelamientos en el evaporador.

o Calor específico. Debe de ser lo más alto posible para que una pequeña cantidad de líquido

absorba una gran cantidad de calor.

o Volumen específico.- El volumen específico debe de ser lo más bajo posible para evitar

grandes tamaños en las líneas de aspiración y compresión

o Densidad. Deben de ser elevadas para usar líneas de líquidos pequeñas.

o

La temperatura de condensación, a la presión máxima de trabajo debe ser la menor posible.

o La temperatura de ebullición, relativamente baja a presiones cercanas a la atmosférica.

o Punto crítico lo más elevado posible.

o No [deben*] ser líquidos inflamables, corrosivos ni tóxicos.

o

Dado que deben interaccionar con el lubricante del compresor, deben ser miscibles en fase

líquida y no nociva con el aceite.

o

Los refrigerantes, se aprovechan en muchos sistemas para refrigerar también el motor del

compresor, normalmente un motor eléctrico, por lo que deben ser buenos dieléctricos, es

decir, tener una baja conductividad eléctrica.

Por su composición química los refrigerantes pueden ser:

a.

Inorgánicos, como el agua o el NH

b.

De origen orgánico (hidrocarburos y derivados):

o

Los CFC, Clorofluorocarbonos, perjudiciales para la capa de ozonoo Los HCFC. Hidrocloroflurocarbonados

o Los HFC.

o Los HC: Hidrocarburos (alcanos y alquenos)

o Las mezclas, azeotrópicas o no azeotrópicas.

Algunos nombres comerciales: Glicol, R11, R12, R22, R23, R32, R123, R124, R134a, R502, R407C,

R410A, R507, R517.

Los componentes del refrigerador se muestran en las siguientes figuras:

http://es.wikipedia.org/wiki/Glicolhttp://es.wikipedia.org/wiki/R22http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R23&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R32&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R123&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R124&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R134a&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R502&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/R407Chttp://es.wikipedia.org/wiki/R410Ahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R507&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R517&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R517&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R507&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/R410Ahttp://es.wikipedia.org/wiki/R407Chttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R502&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R134a&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R124&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R123&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R32&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R23&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/R22http://es.wikipedia.org/wiki/Glicol


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TERMODINÁMICA


Metodología

El técnico del laboratorio explicara las partes de un refrigerador y el fundamento de su operación.

Operar el refrigerador para obtener los siguientes datos del proceso de enfriamiento:

Temperatura en el interior en °C _________Temperatura en el exterior en °C _________Potencia eléctrica consumida en KW _________Cantidad de calor extraído en KJ/min _________Cantidad de calor desechado en KJ/min _________CDF _________

Resultados y análisis de resultados

1.

Ilustre en un diagrama las partes del refrigerador estudiado en la práctica

2.

Muestre los cálculos para encontrar el valor de CDF

Conclusiones

Referencias

Boles, C. (2012). Termodinámica. México D.F.: Mc Graw Hill.




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