El Mecanismos de transferencia de calor

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1. Resumen ejecutivo.

La calorimetría es la encargada de las mediciones y el análisis del calor en una reacción química o en un cambio de estado, específicamente, la cantidad de calor generada o perdida en procesos físicos o químicos. Para poder lograr este estudio es necesario realizar balances de materia y energía, una de las herramientas más importantes de la ingeniería de procesos para reconocer tanto los flujos, como las necesidades energéticas del mismo.

Esta experiencia tiene como objetivo entender las variables involucradas en los balances de materia y energía, y familiarizarse con los términos de calor latente, de reacción, disolución, entre otros, que son necesarios para comprender su contenido energético, el estudio de corrientes a diferentes temperaturas, la generación de calor en una reacción química, etc.

El laboratorio se divide en tres partes, calor de reacción, calor de dilución y balance de materia y energía respectivamente. En la primera parte, se registró el calor liberado en la reacción de Aluminio con Ácido Clorhídrico, en el cual el resultado fue 4880.01 [J] por cada 0.5[g] de aluminio, y una temperatura de 82[°C], con un error entre la temperatura teórica y la experimental de un 9%.

En la segunda parte del laboratorio, se registró el calor liberado al diluir una solución de Hidróxido de Sodio. Los resultados en esta parte de la experiencia fueron que para una solución de 15% en peso de NaOH, y la posterior adición de agua para llegar a una solución de 12% en peso, que libera 1909.29[J], lo que tiene un error con respecto a la teoría de un 9%

Por último, en la tercera parte se trabajó con un sistema compuesto por un estanque enchaquetado con agitación y flujo continuo de producto (modelo de flujo CSTR), un intercambiador de calor de tubos y coraza, un calefactor de agua, un recipiente para mantener nivel de agua y evitar cavitación de la bomba, una bomba de engranaje y medidores de flujo y temperatura. En el sistema se hizo circular agua inicialmente a Tº ambiente para luego observar los cambios energéticos que afectaban a dicho fluido. Los resultados para un equipo (HT33) fueron deficientes debido a que  un instrumento del laboratorio se encontraba en malas condiciones no pudiendo tomar la lectura de una temperatura, se tuvo que calcular dicha temperatura en base al balance y se supone un sistema ideal, por lo que el calor cedido es igual al calor absorbido siendo 211,4 [J/s], para dicho equipo no existen pérdidas y se puede calcular el coeficiente de transferencia de calor en función del área de transferencia siendo  . Para el otro equipo (HT34) se calculó el calor cedido y calor absorbido siendo 842,5 [J/s] y 672,6 [J/s] respectivamente. La diferencia se debió a pérdidas de energía ocasionadas por la falta de aislación. De igual forma el coeficiente de transferencia de calor para este equipo fue . Al alterar el sistema quitándole un equipo, en este caso el precalentador, cambia la temperatura de salida del recipiente, siendo 25,4 [ºC].[pic 6][pic 7]

1. Índice.

1.        Resumen ejecutivo.        2

2.        Índice.        3

3.        Índice de Figuras.        3

4.        Índice de Tablas.        3

5.        Descripción del fenómeno.        4

6.        Resultados.        5

6.1        Primera Parte: Calor de Reacción.        5

6.2        Segunda Parte: Calor de Dilución.        5

6.3        Tercera Parte: Balances de Materia y Energía.        5

7.        Análisis.        6

7.1        Primera Parte: Calor de Reacción.        6

7.2        Segunda Parte: Calor de dilución.        10

7.3        Tercera Parte: Balance de materia y energía para un sistema continuo        14

8.        Conclusiones y Recomendaciones        23

9.        Referencias        24

10.        Anexos        24

10.1        Anexo A.        24

10.2        Anexo B.        24

10.3        Anexo C.        24

1. Índice de Figuras.

Figura 1. Calores específicos para solución de ácido clorhídrico a distintas composiciones. (Adaptado de Perry, 2001)        7

Figura 2. Calor específico para soluciones de NaOH a distintas composiciones. (Perry, 2001)        11

Figura 4. Esquema de equipos de trabajo y sus flujos.        14

Figura 5. Gráfico de entalpía, concentración y temperatura para NaOH. (Modificado de Perry,2001)        25

Figura 6. Ampliación de entalpía, concentración y temperatura para NaOH. (Adaptado de Perry, 2001)        25

1. Índice de Tablas.

Tabla 1. Resultados primera parte, Calor de reacción.        5

Tabla 2. Resultados segunda parte, Calor de dilución.        5

Tabla 3. Calores específicos. (Perry, 2001)        24

1. Descripción del fenómeno.

Calor de reacción: Al ocurrir una reacción química los reactantes reaccionan y forman los productos. Al pasar esto, los enlaces de los reactantes se rompen y se unen nuevamente pero formando enlaces más débiles, al ocurrir esta formación de enlaces se libera energía en forma de calor, fenómeno llamado calor de reacción.

Calor de dilución: La dilución tiene como objetivo disminuir la concentración del soluto en una solución. Al hacer esta disminución existe una energía asociada que se puede absorber o liberar en forma de calor.

Balance de materia y energía: Los balances se realizan cuando existe un sistema cerrado, asumiendo que no hay pérdidas de energía. Tienen como objetivo reconocer flujos y temperaturas del sistema, estudiar su comportamiento tanto teórico como experimental y cómo pueden variar al alterar factores de este.

1. Resultados.

1. Primera Parte: Calor de Reacción.

Tabla 1. Resultados primera parte, Calor de reacción.

1. Segunda Parte: Calor de Dilución.

Tabla 2. Resultados segunda parte, Calor de dilución.

1. Tercera Parte: Balances de Materia y Energía.

Temperatura de salida T4: 27 [ºC]

1. Análisis.

1. Primera Parte: Calor de Reacción.

1. Escriba la ecuación balanceada para la reacción entre Ácido Clorhídrico y Aluminio. Todos los coeficientes deben ser números enteros.

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1. Presente el balance de materia y energía, a modo general, para este sistema.

Balance de Materia:

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Balance de Energía:

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Dado que es un sistema Bach, no entra ni sale nada, por tanto , y . Además, la reacción se lleva a cabo en un sistema adiabático, por tanto [pic 12][pic 13][pic 14]

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