Proyecto de Cohete para Termodinámica.docx

7/23/2019 Proyecto de Cohete para Termodinmica.docx

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UNIVERSIDAD CATLICA BOLIVIANA

LABORATORIO DE TERMODINMICA

INFORME N1

COHETE IMPULSADO POR NITRATO DE POTASIO Y AZUCAR

ESTUDIANTE: LVARO SALINAS DOCKAR

GRUPO DE LABORATORIO:1

HORARIO: MARTES 2:25 1:!!

DOCENTE: ING" GUSTAVO CALDERN

DOCENTE #TEOR$A%: ING" EDUARDO INVERNIZZI

N&MERO DE CELULAR: ''1()(!(

LA PAZ * BOLIVIA


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Universidad Catlica Boliviana San Pablo IND 126

Aprender a realizar un mini cohete de propulsin a base de KNO3 yC12H22O11 (Azucar)

Conocer la ley de la conseracin de la cantidad de moimiento!

Combustin del propelente

"n motor cohete opera ba#o el principio de conertir ener$%a calrica& de lasreacciones 'u%micas& en ener$%a cintica! n otras palabras& el calor

liberado por la combustin del propelente proee la ener$%a calrica* la alta

elocidad de los productos de escape saliendo del motor $anan ener$%a

cintica! +or esto es 'ue el escape e,perimenta un $ran descenso de

temperatura al -uir a tras de la tobera (como se mostrara a

continuacin)& un re'uerimiento de la ley de la termodin.mica llamada

/conseracin de la ener$%a/!0a combustin es simplemente una reaccin 'u%mica e,otrmica! +ara 'ue

este proceso comience se necesita una uente de calor e,terna (i$nitor) 'ue

proea la ener$%a necesaria a un niel umbral! sta combustin esta

representada por una ecuacin 'u%mica! +or e#emplo& para un propelente

43 O4C KN45ucrosa& la ecuacin de la combustin esta dada por

(reactios 67 productos)8

C12H22O11 9 &2: KNO3 67 3&;< CO2 9 &21 CO 9 =&=: H2O 9 3& N2 9 3 K2CO3 9


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Con los

compuestos

simbolizados deesta manera8

5ucrosa

5lido C12H22O11

Nitrato de potasio 5lido KNO3?i,ido de

carbono

@as CO2

ono,ido de

carbono

@as CO

Bapor @as H2O

Hidro$eno @as H2Nitr$eno @as N2

Carbonato de

+otasio

0i'uido K2CO3

Hidr,ido de

potasio

0i'uido KOH

5e orman pe'ueas cantidades de otros compuestos& como KH& y CH>&

pero pueden ser i$norados sin consecuencias!

0a deriacin de la ecuacin de combustin completa es potencialmente el

paso m.s comple#o en el an.lisis de un motor cohete! l propelente es

'uemado& a una presin constante (asumida)& y orma un con#unto de

productos moleculares 'ue se encuentran en e'uilibrio 'u%mico y termal

unos con otros! l primer paso es asumir 'ue productos podr%an ser

producidos! +ara propelentes 'ue solo conten$an carbono& o,i$eno&

hidro$eno y nitr$eno (C& O& H D N) e,isten (al menos) doce productos

probables 6 carbono& di,ido de carbono& mono,ido de carbono& hidro$eno&

apor& o,i$eno& nitr$eno& o,ido n%trico as% como productos disociados H& O&


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N y OH! 5i el propelente contiene productos met.licos como potasio (K)&

sodio (Na)& o aluminio (Al)& o contiene cloro (Cl)& resultara en productos de

la combustin condensados (slidos o l%'uidos)& como el carbonato depotasio& (o e'uialentes del sodio)& o,ido de aluminio o clorido de potasio!

"na ez 'ue se ha lle$ado a un con#unto posible de productos& el si$uiente

paso es determinar el nEmero de moles (o racciones) 'ue resultaran! 0os

nEmeros de moles son los coeFcientes en la ecuacin 'u%mica! +ara el

e#emplo anterior& los nEmeros de moles son 3!=& !1:& =!:1& 3! y

3!1> para CO2& CO& H2O& H2& N2 y K2CO3& respectiamente& para la

combustin de los reactios& siendo estos 1 mol de sucrosa y &2: moles de

KNO3!

0a determinacin del nEmero de moles se realiza resoliendo un con#unto

de ecuaciones relacionando los reactios y productos con las condiciones

de8

G alance de masas

G Condiciones de e'uilibrio 'u%mico

G alance ener$tico

l balance de masa es directo& y se reFere al principio de conseracin de

masa! l nEmero de moles de cual'uier elemento determinado antes de

una reaccin 'u%mica debe ser i$ual despus de la reaccin! n el e#emplo

anterior& el nEmero de moles de .tomos en los reactios es8

G 12 .tomos de Carbono (C)

G 22 .tomos de Hidro$eno (H)

G 3I&2: J 2:&;= .tomos de O,i$eno (O)

G &2: .tomos de potasio (K)

G &2: .tomos de Nitr$eno (N)


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en los productos8

G 3&= 9 &1: 9 3&1> J 12 .tomos de Carbono (C)G 2 I =&:1 9 2 I 3& J &2: (redondeado) .tomos de potasio (K) y Nitr$eno (N)

Con lo 'ue se cumplen los re'uerimientos de masa!

uchos reactios& cuando son mezclados en cantidades deFnidas&

reaccionan ormando productos solamente& esto es conocido como reaccin

irreersible! "n e#emplo es la combustin del propelente (por eso el s%mbolo

/67/ en la ecuacin)! n una reaccin reersible el proceso puede ir en

cual'uiera de los dos sentidos! 0os reactios se transorman en productos

as% como los productos se transorman en los reactios ori$inales! ste es el

tipo de reaccin con la 'ue est.n relacionadas las condiciones de e'uilibrio

'u%mico de los productos de la combustin calientes! +or e#emplo& la

reaccin

2H2 9 O2 L67 2H2O es una accin reersible!

+ero 'ue es lo 'ue determina la concentracin relatia de esos

constituyentes (por e#emplo& M0a reaccin actuara mas a la derecha o a la

iz'uierda en esta ecuacin)! +ara cada ecuacin como esta& e,iste una

constante de e'uilibrio (Kp) asociada 'ue es la 'ue determina esto! sta

constante es uncin de la temperatura a la 'ue ocurre la reaccin& y es

esencialmente independiente de otras condiciones %sicas& como la presin!

0os alores de arias Kp pueden ser encontrados en tablas termodin.micas&

por e#emplo las tablas ANAP!

+ara la reaccin reersible $eneral8


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0a ecuacin de e'uilibrio 'u%mico es de la orma8

?onde y es la raccin molar de e'uilibrio de los constituyentes A& & C y ?&

Q es el coeiciente de cada constituyente (2& 1 y 2 en el e#emplo anteriorpara los componentes H2& O2& y H2O)!

l trmino +4+< representa la relacin de presin a la cual ocurre la

reaccin& y la presin de reerencia (estado normal)! ?eber%a notase 'ue el

e'uilibrio de los $ases de la combustin es muy sensible a la temperatura!

0os productos e,istentes a una alta temperatura de combustin son muy

dierentes de a'uellos e,istentes a una temperatura de combustin m.sba#a! A altas temperaturas (sobre los 3


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5e puede er la entalpia como el calor inolucrado en una reaccin

'u%mica! +uesto de otra manera& considere una reaccin inolucrando n

moles de cada reactio (representados por el sub%ndice i)& y n moles decada producto (sub%ndice e)

sta ecuacin nos dice 'ue la suma de la entalpia de ormacin (h) mas el

cambio de entalpia (Th)& multiplicada por el numero de moles (n) de cada

componente& es i$ual tanto para los reactios y los productos! Ntese 'ue

Th representa el cambio de entalpia desde una temperatura de reerencia&

t%picamente 2:; RK (2 RC)! +or esta razn& Th es i$ual a cero para los

reactios si la temperatura inicial del propelente se asume 'ue es esta!

Uanto& Th y h para los reactios y productos pueden encontrarse en tablas

termodin.micas& por e#emplo& las tablas ANAP!

0a anterior ecuacin es particularmente Etil& por'ue nos entre$a los

mtodos para calcular la temperatura de la combustin& a la 'ue se suele

llamar Uemperatura Adiabatica de Plama (APU)! Uambin& de esta ecuacin&

puede erse 'ue es deseable una mayor temperatura de ormacin de losreactios (por unidad de masa)& 'ue es una menor temperatura de

ormacin de los productos& por'ue resultara en un mayor Th disponible

para los productos (de este modo una mayor APU)! Uambin& la presencia de

$ases biatmicos (e#! H2& N2) es deseada $eneralmente por'ue el calor de

ormacin de estos $ases es cero!

0o anterior describe un completo con#unto de inormacin 'ue ser.

necesaria con el Fn de determinar el proceso de combustin por completo!

Ahora tenemos una serie de par.metros desconocidos& y las ecuaciones

'ue nos permitir.n encontrarlos! n resumen& los par.metros desconocidos

son8

G l numero de moles (coeFcientes) en el balance de masas de la ecuacin!


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G 0as racciones molares en las ecuaciones de e'uilibrio 'u%mico!

G 0a temperatura de llama adiabatica!

G 0os alores de Th& siendo estos uncin de la temperatura!G 0a presin (de c.mara) a la 'ue ocurrir. la reaccin!

Obiamente esto no ser. una tarea sencilla! 0a Enica orma practica de

resoler el problema de la combustin& es con una solucin por

computadora& utilizando un proceso iteratio! sto inolucra como primera

medida asumir una presin de c.mara a la 'ue ocurrir. la reaccin (0os

resultados dependen leemente de la presin)! 0as iteraciones para

resoler las ecuaciones comienzan con una temperatura de combustin

(APU) pre6asumida! stas dos asunciones permiten determinar el nEmero de

moles y las racciones molares para estas condiciones iniciales! asados en

los alores determinados& se calcula una nuea APU utilizando la ecuacin

de la ener$%a! ntonces este alor de APU es utilizado en la pr,ima

iteracin para calcular el nEmero de moles y la raccin molar y as%

sucesiamente! entualmente se lle$ara a una coner$encia y se

obtendr. la solucin Fnal! n realidad& hace arios escrib% un pro$rama para

analizar la combustin de los propelentes basados en KN45ucrosa& con

relaciones O4C ariables! sto no ue tarea .cil& pero unciono

satisactoriamente!

AUSVA05

Uubo de +BC

5acarosa

Uobera de po,ilina

Aluminio

Siel

adera

MATERIALE


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CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFA


Nitrato de potasio

echa

Carbon

+apel

Sealizar una mezcla de W KNO3& 33WAzucar& 1WCarbn!

Cocinar la mezcla hasta 'ue 'uede iscosa!

Hacer un tubo de papel e instertarlo al tubo de pc!

Uapar la parte trasera del +BC con po,ilina y hacer un hueco!

Sealizar un armazn para 'ue el cohete despe$ue de manera ertical!

eter la mezcla iscosa el tubo de papel y esperar a 'ue se'ue!

Hacer un hueco al medio del tubo de la mezcla!

+oner la mecha en la parte de atr.s del cohete& la mecha tiene 'ue estarempapada de la mezcla!

Vncorporar los alerones y la tobera!

0anzamiento!

Con el presente e,perimento se aprendi a construir un modelo de

cohete aFrmando la ley de la conseracin de la cantidad de

moimiento estudiado en la parte terica!

PROCEDIMIEN


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