INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

FENÓMENOS DE TRANSPORTE

Laboratorio de Fundamentos de Fenómenos de Transporte

Practica Calorimetría

Profesora: Ing. Héctor Zamorano

Alumna: González Calleja Nadia Madai.

Grupo: 2IM43.

Turno: Matutino.

ÍNDICE

Objetivos 3

Consideraciones teóricas 3

Material utilizado 5

Instructivo de operaciones 5

Datos experimentales 6

Secuencia de cálculos 7

Cálculos 8

Graficas 11

Tabla Resultados 13

Análisis de Resultados 13

Observaciones 13

Conclusión o discusión 14

Bibliografía 14

2

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Ser capaz de identificar y medir la transferencia de calor, a través de un cuerpo sólido.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Realizar el balance de calor total de una varilla solida de bronce, mediante el cálculo de los calores de conductividad, conectividad.

Determinar la cantidad de calor perdido hacia los alrededores, con superficies extendidas.

Identificar cuando se ha alcanzado el estado estacionario, visualizando los datos experimentales, de cálculos y gráficas.

CONSIDERACIONES TEORICAS

La calorimetría estudia el intercambio de calor, en diferentes procesos, mediante un instrumento denominado calorímetro, que mide el cambio de energía en un sistema al operar un proceso; que puede ser físico, químico o biológico.

El primer calorímetro para medir el calor, fue desarrollado en 1783 por Lavoisier y Laplace (figura 1), midieron el cambio en el calor de un cuerpo caliente, para fundir una cantidad de hielo; se esperaba hasta que el cuerpo caliente estuviera a la temperatura del hielo, y después se determinaba la masa del hielo derretido.

APLICACIÓN DE CALORIMETRIA EN LA QUIMICA:

3

Podemos utilizar calorimetría para poder medir el calor en una reacción química así hallando el calor con un calorímetro obtendremos la temperatura de los reactantes y comprendemos a que grado de calor necesitan llegar para poder convertirse en productos.

Una aplicación más es en las maquinas térmicas las cuales aprovechamos el calor para crear nuevas formas de energía como el petróleo, agua, etc.

La temperatura y el calor se aprovechan en centrales que la ingeniería industrial diseña como la nuclear térmica solar, etc.

Los calorímetros de Reacción Adiabática permiten a la industria operar de forma segura y rentable. Como mini reactores químicos altamente versátiles, miden las propiedades térmicas y de presión de reacciones químicas exotérmicas. La información resultante ayuda a los ingenieros y a los científicos a identificar los posibles peligros y abordar los principales elementos del proceso de diseño de seguridad, incluidos los sistemas de socorro para emergencia, manejo de efluentes, optimización de procesos y estabilidad térmica.

MATERIAL UTILIZADO

1.- Intercambiador de superficies extendidas.

2.- 8 termocoples a lo largo de la varilla.

3.- Un no breack.

4.- Un PC con software ARMFIELD precargado.

4

5.- Un transductor.

6.- Una Unidad de Servicios de Transferencia de Calor, mod. Ht 10X de 110V, 60Hz. Monofásico.

7.- Varilla de bronce, recubierta de pintura negro mate, resistente al calor, de 35cm longitud por 10 mm de diámetro.

8.- Un termocople T9 para medir la temperatura del aire.

INSTRUCTIVO DE OPERACIONES

1.- Conectar el equipo a un receptor de corriente alterna.

2.- Encender el regulador de voltaje, posteriormente la Unidad de Servicios de Transferencia de Calor.

3.- Colocar el selector del módulo en posición automático.

4.- Encender el PC y abrir el software precargado para la demostración gráfica.

5.- Indicar al programa activo la cantidad de voltaje, y comenzarlo a correr.

6.- Cada que se cumple el tiempo establecido, se reanuda para que el mismo programa nos arroje los valores en una tabla, repetir este pasó para t tiempos.

7.- Repetir los pasos anteriores para el segundo voltaje.

DATOS EXPERIMENTALES

Varilla de Bronce

Diametro= 1 cm

Longuitud= 35 cm

At area transversal = πD2

4

5

As area superficial = 2πrL

Kbronce=104kcalhm

DATOS DEL CALORIMETRO

Voltaje (V) =3.1 volts

Intensidad (I) =0.12 amp

Perfil de Temperaturas, a través de la Longuitud de la varilla, dy = 5 cm

Tiempo

(min)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

0 37.8 30.8 26.2 23.5 22 21.2 21.1 20.8 20.75 28.5 26.8 25.4 24.5 23.6 22.7 22.3 21.9 20.710 27.2 25.8 24.6 24.1 23.4 23.4 22.7 22.4 20.915 26.5 25.2 24.1 23.7 23.2 23.2 23.7 24.1 21.020 26.2 24.9 23.9 23.5 23.1 22.7 22.5 22.3 21.1125 25.9 24.6 23.7 23.4 23 23.6 22.5 22.2 21.030 25.8 24.5 23.6 23.3 22.9 22.6 22.4 22.2 21.235 25.7 24.5 23.6 23.3 22.9 22.5 22.4 22.1 21.140 25.7 24.5 23.5 23.3 22.9 22.6 22.4 22.2 21.345 25.7 24.5 23.5 23.3 22.9 22.6 22.4 22.2 21.550 25.8 24.6 23.7 23.4 23.1 22.7 22.6 22.4 21.555 25.8 24.6 23.7 23.5 23.1 22.8 22.6 22.4 21.560 25.9 24.7 23.8 23.5 23.2 22.8 22.7 22.5 21.665 26.7 24.8 23.9 23.6 23.3 22.9 22.8 22.5 21.770 25 24.8 23.9 23.7 23.3 23.0 22.9 22.6 22.3

SECUENCIA DE CÁLCULOS

N°

Calculo de: Ecuación Unidades

1 Calor experimental Qexp=V∗I Watt (W)

2 Adición de Temperatura θi=

T x−T a

T w−T a

adimensional

6

3 Variable de la distancia

ε 0=zL

adimensional

4 Temperatura teóricaT x=T 1=T w=(T 8−T w

x ) x+Tw

Celsius (°C)

5 Calor conductivoQ x=

K∗AT∗∆T

∆ X

Watts (w)

6 Calor inicialq inicial=

Qinicial

At

Watts (w)

7 Flux de calor−qx+∆x=k

T x−T 0x−x0

Watts (w)

8 Calor perdido Q perdido=Qinicial−Q x Watts (w)

9 Flujo de calor Q x=q ( At )=q(π r2) Watts (w)

10

Área transversalAT=

π∗D2

4ó AT=π ¿)

m2

11

Área superficial A s=2π∗r∗L m2

12

Calor transversal Qtransversal=AT∗h∗(T i−T j) Cal/seg

13

Temperatura transferida al

ambiente

T t=T−T a Celcius (°C)

CÁLCULOS

1. Qexp=V ×I

Qexp=3.1V ×0.12 A=0.372w

7

2. A dimensionamiento de Temperatura

Tx=(T 8−Tw )

Lx dy+Tw

Tx1=(22.5 ° C−25 °C )

350mmx (0mm)+25 °C=25 ° C

Tx2=(22.5 ° C−25 °C )

350mmx (50mm)+25 °C=24.64 ° C

Tx3=(22.5° C−25 °C )

350mmx (100mm)+25 °C=24.28 ° C

Tx 4=(22.5 ° C−25 °C )

350mmx (150mm)+25 °C=23.92 °C

Tx5=(22.5° C−25 °C )

350mmx (200mm)+25 °C=23.57 ° C

Tx6=(22.5 °C−25 °C )

350mmx (250mm)+25 ° C=23.21° C

Tx7=(22.5° C−25 °C )

350mmx (300mm)+25 °C=22.85° C

Tx8=(22.5° C−25 °C )

350mmx (350mm)+25 °C=22.5° C

3. θi=T x−T a

T w−T a

Teorico

θ1=25℃−20℃25℃−20℃

=1

θ2=24.64℃−20℃25℃−20℃

=0.928

θ3=24.28℃−20℃25℃−20℃

=0.856

8

θ4=23.92℃−20℃25℃−20℃

=0.784

θ5=23.57℃−20℃25℃−20℃

=0.714

θ6=23.21℃−20℃25℃−20℃

=0.642

θ7=22.85℃−20℃25℃−20℃

=0.57

θ8=22.5℃−20℃25℃−20℃

=0.5

4. QTeorico=K [ T 1−T2X 2−X1 ]π r2

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 25° C−24.64 ° C50mm−0mm ]π ¿

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 24.64 °C−24.28 ° C100mm−50mm ]π ¿

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 24.28° C−23.92 °C150mm−100mm ] π ¿

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 23.92° C−23.57 °C200mm−150mm ] π ¿

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 23.57 °C−23.21 °C250mm−200mm ] π ¿

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 23.21° C−22.85 °C300mm−250mm ] π ¿

9

Q=0.121 W

mmh°Cmm

[ 22.85° C−22.5 °C350mm−50mm ]π ¿

5. A dimensionar la Distancia Definida

ε 0=zL

ε 1=0mm350mm

=0

ε 2=50mm350mm

=0.1428

ε 3=100mm350mm

=0.2857

ε 4=150mm350mm

=0.4285

ε 5=200mm350mm

=0.5714

ε 6=250mm350mm

=0.7142

ε 7=300mm350mm

=0.8571

ε 8=350mm350mm

=1

6. Calculo de la n de transferencia de calor

n=√ hL2kβ

n=√ (2.561x 10−3)(350mm)2

(0.121 W

mm2h°Cmm )(5mm)

=2.277Wh

10

GRAFICAS

22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 25.50

100

200

300

400

Texp Vs Distancia

Texp

Temperatura Experimental (°C)

Dist

ancia

(mm

)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

Qexp y Qteo Vs Distancia

QexpQteorico

Distancia (cm)

Calo

r Exp

erim

enta

l y T

eoric

o (W

/h)

11

0 5 10 15 20 25 30 35 4021

21.522

22.523

23.524

24.525

25.5

Texp y Tteo Vs Longuitud

TexpTteo

Longuitud (cm)

Texp

y T

teo

(°C)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

Qexp y Qteo Vs ξ

QexpQteorico

ξ

Calo

r Exp

erim

enta

l y T

eoric

o (W

/h)

12

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

Qexp y Qteo Vs θ

QexpQteorico

θ

Q (e

xper

imen

tal y

Teo

rico)

(W/h

)

TABLA DE RESULTADOS

Distancia (cm)

TEXP

(°C)TTEO

(°C)QEXP

(W/h)QTEO

(W/h)θ ξ

0 25 25 0.372 0.068423888 1 05 24.8 24.64 0.372 0.068423888 0.928 0.142810 23.9 24.28 0.372 0.068423888 0.856 0.285715 23.7 23.92 0.372 0.066523224 0.784 0.428520 23.3 23.57 0.372 0.068423888 0.714 0.571425 23.0 23.21 0.372 0.068423888 0.642 0.714230 22.9 22.85 0.372 0.068423888 0.570 0.857135 22.6 22.5 0.372 0.0110872 0.5 1

ANALISIS DE RESULTADOS

13

En este caso nos percatamos que entre mayor sea la intensidad y voltaje habrá mayor estabilización respecto a la temperatura de cada termopar, para la experimentación en cuanto a las temperaturas obtenidas experimentalmente y teóricas no existe un gran margen de error, como también el comportamiento del calor es mucho mayor experimentalmente que en el teórico.

OBSERVACIONES

Se observó que al tener menor voltaje e intensidad tardamos más al tratar de llegar al régimen permanente y sin en cambio al aumentar la intensidad y voltaje este se mantuvo más constante y se obtuvieron más cerca las temperaturas

CONCLUSION

Acorde lo visto con anterioridad en esta práctica podemos decir que la transferencia de calor a bajos voltajes tiende a tardar más en estabilizarse y alcanzar un régimen permanente, en cambio si utilizamos voltajes altos tarda menor tiempo en alcanzar el régimen permanente o tratar de alcanzarlo.

Se comprueba además que el calor perdido con respecto al calor transferido por conducción es técnicamente idéntico aunque de sentido contrario puesto que el calor de conducción transfiere calor positivo el calor perdido absorbe calor.

Podemos suponer que cuando se alcance un régimen permanente la transferencia de calor en cuanto a temperaturas será uniforme entre cada nodo y también al ambiente.

BIBLIOGRAFÍA

Manual de laboratorio de fundamentos de fenómenos de transporte,Ing. García Ruiz Martha E. & Ing. Cárdenas Rivas Juanita E.ESIQIE-IPN 2011

Karlekar, B.V. y Desmond, R.M., "Transferencia de calor", Edit. Interamericana, 1985, Pag:85-94

14

Fenomenos de transporte 2da edición, Byron Bird, Warren Stewart Edwin Lightfood, Limusa- Wiley, 2008

http://portalweb.ucatolica.edu.co/easyWeb2/fisica/fisicaII/guias/CALORIMETRIA.pdf

http://fisicatecsup.blogspot.mx/2013/03/calorimetria.html

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