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
PROTOCOLO DE PRÁCTICAS
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
PROTOCOLO DE PRÁCTICAS
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
PROTOCOLO DE PRÁCTICAS
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
PROTOCOLO DE PRÁCTICAS
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.
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 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
PROTOCOLO DE PRÁCTICAS
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
PROTOCOLO DE PRÁCTICAS
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.
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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