Practica 1 De Quimica Industrial Upiicsa

eINSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

QUIMICA INDUSTRIAL

VAZQUEZ COLORES JUAN SEBASTIAN

SECUENCIA: 2IV38

EQUIPO # 3

PROFESORA: MARÍA DOLORES NAVA TIRADO

PRACTICA No. 1

RELACIÓN ENTRE LAS CAPACIDADES CALORÍFICAS DE UN GAS

OBJETIVOS

El alumno determinara el valor de la relación Cp/Cv para el aire, por el método de Clément y Desormes.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

Dentro de la termodinámica se estudian los cambios de calor y trabajo que acompañan a los procesos fisicoquímicos (reacciones químicas).

La aplicación de la termodinámica a cualquier problema real comienza con la identificación de un agregado particular de materia. Este agregado de materia se llama sistema y su estado termodinámico está definido por algunas propiedades dependientes de las dimensiones fundamentales de la ciencia, de las cuales la masa, la longitud, el tiempo, la temperatura y la cantidad de sustancia son las de mayor interés.

TIPOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Para poder tener noción de cada sistema termodinámico se deben entender los conceptos básicos como lo son:

Sistema. Es un segmento particular del universo limitado por una superficie real o imaginaria donde se sitúa la materia estudiada.

Pared (límite, frontera). Un sistema puede estar separado de su medio ambiente por varios tipos de paredes. Una pared puede ser rígida o no rígida (es decir, móvil) y permeable, semipermeable o impermeable al paso de materia. Finalmente, una pared puede ser adiabática o diatérmica (térmicamente conductora) dependiendo de si permite el flujo de calor. Una pared aislante es aquella que no permite interacción alguna entre el sistema y sus alrededores

Un sistema termodinámico puede ser abierto, cerrado o aislado. En un sistema abierto puede darse transferencia de materia y de energía entre el sistema y el medio ambiente; en uno cerrado es posible intercambiar energía, pero no materia, y en un sistema aislado no es posible transferir materia ni energía.

PROPIEDADES DE UN SISTEMA

A una característica de un sistema se le llama propiedad. Ej.: presión, temperatura, volumen, masa, etc. Las propiedades de un sistema se diferencian en dos grupos:

1) Propiedades Intensivas: Son aquellas que no dependen de la masa del sistema, como son, temperatura, presión y densidad.

2) Propiedades extensivas: Son aquellas que dependen de la masa o extensión del sistema como son la misma masa y el volumen.

FORMAS DE ENERGIA (INTERNA, TRABAJO Y CALOR)

Energía interna

Es una función de estado cuya diferencial es igual al trabajo intercambiado con los alrededores durante un proceso adiabático.

Calor

Transferencia de energía de un sistema a otro como consecuencia de la diferencia de temperaturas. No es una función de estado.

Calor latente

Es la cantidad de calor absorbida o liberada por una sustancia durante un cambio de fase. Como una transición de fase ocurre a temperatura y presión constantes, es más conveniente referirse a la entalpía de la transformación, en lugar de usar el viejo, poético pero obsoleto término de calor latente.

Calor sensible

Energía térmica asociada a una variación de temperatura.

Exotérmico

Del griego εξω, afuera, y θερμοω, calentar. Se dice de una transformación en la cual el sistema libera calor a los alrededores. Si la transformación ocurre a presión constante, ΔH <0; si ésta ocurre a volumen constante, ΔU < 0. Si el sistema sufre una transformación exotérmica y adiabática, su temperatura aumenta.

Endotérmico

Del griego ενδον, adentro y θερμοω, calentar. Se refiere a una transformación en la cual el sistema recibe calor de los alrededores: Q > 0. Cuando la transformación ocurre a presión constante: ΔH > 0; a volumen constante: ΔU > 0. Si los alrededores no suministran calor, la transformación endotérmica produce una disminución en la temperatura del sistema.

Trabajo

La forma más común de trabajo en termodinámica se refiere al cambio de volumen del sistema. En un sentido termodinámico se refiere a la interacción energética entre un sistema y sus alrededores, a través de aquellas porciones de los límites del sistema en que no hay transferencia de masa, como consecuencia de una diferencia en una propiedad intensiva diferente de la temperatura entre el sistema y sus alrededores. El trabajo es de naturaleza transitoria y no puede almacenarse en el sistema.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Joule encontró que para cada fluido se requiere una cantidad fija de trabajo por unidad de masa, por cada grado de aumento en la temperatura causado, la temperatura original del fluido se puede restituir por la transferencia de calor a través del simple contacto con un objeto más frio. Demostrando finalmente que existe una relación entre el trabajo y el calor, por lo tanto el calor es una forma de energía.

La primera Ley de la Termodinámica establece que, cuando se añade calor Q a un sistema mientras se efectúa un trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual Q-W.

ΔU= Q – W.

PROCESO POLITRÓPICO

Cualquier proceso cuya relación funcional entre la presión y el volumen sea de la forma PVⁿ = constante, se conoce como proceso politrópico, donde n es el exponente politrópico.

Casos particulares del proceso politrópico:

*Cuando n = 0, se trata de un proceso isobárico (p = cte.)

*Cuando n = 1, se trata de un proceso isotérmico (T = cte.)

*Cuando n = γ (Cp/Cv), se trata de un proceso adiabático (q = 0)

*Cuando n = ∞, se trata de un proceso isocórico o isométrico (V = cte.)

PROCESO ADIABÁTICO

Un proceso adiabático, no se transfiere calor hacia el interior ni hacia el exterior del sistema. Es decir, Q=0; esta condición se satisface en un sistema térmicamente aislado, rodeado totalmente por un aislante “perfecto”.

La curva para este proceso se llama adiabata. Durante un proceso adiabático, las tres coordenadas termodinámicas (P, V, T) cambian.

Se define el coeficiente adiabático de un gas (γ) a partir de las capacidades caloríficas molares tomando distintos valores según el gas sea monoatómico o diatómico:

La capacidad calorífica molar de una sustancia a volumen constante, Cv, es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 mol de la sustancia 1ºC a volumen constante y a una temperatura dada.

La capacidad calorífica molar de una sustancia a presión constante, Cp, es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 mol de la sustancia 1ºC a presión constante y a una temperatura dada.

MATERIAL Y EQUIPO

Idéntico al manual en la página 5.

SUSTANCIA O REACTIVOS

• Aire

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Idéntico al manual en la pagina 5.

DATOS EXPERIMENTALES

TABLA No. 1 Datos experimentales. Presión manométrica.

Pman (1) Pman (3)

Experimento No. h1(cmH2O) h2(cmH2O) Δh(cmH2O) h1(cmH2O) h2(cmH2O) Δh(cmH2O)

1 48 14 44 42.8 29.3 13.5

2 52.8 19.6 33.2 40.4 34.5 8.9

3 55.6 16.8 38.8 41 31 10

4 56.3 16.1 40.2 41.5 30.4 11.1

5 56.5 15.9 40.6 41.3 30.6 10.7

CALCULOS

1) Presión absoluta para cada estado termodinámico

Pabs= Pman + Patm

Pman= Δh (en mmH2O) (ρH2O/ ρHg)= mmHg

Patm= 585mmHg.

2) Relación Cp/Cv = ϒ= (ΔP) ADIABATICO/ (ΔP) ISOTERMICO.

3) Calculo de ϒ promedio, considerando solo aquellos valores que se acerquen mas al valor teórico esperado.

TABLA No. 2 Resultados.

Experimento No. P1 abs (mmHg) P2 abs (mmHg) P3 abs (mmHg) ϒ

1

2

3

4

5

CUESTIONARIO

1) En qué momento del experimento se llevan a cabo los procesos: adiabático y isométrico.

El proceso adiabático empieza en cuento se bombea aire al garrafón serrado y termina en cuanto se destapa el garrafón pero el proceso isobárico comienza cuando se destapa el garrafón y termina hasta que se vuelve a tapar.

2) ¿Por qué no se lleva a cabo de manera física el proceso isotérmico?

Porque el proceso isométrico es en dos etapas cuando se termina de bombear el aire dentro del garrafón el aire que esta dentro esta a una temperatura baja pero cuando se destapa y se vuelve a tapar como se perdió presión dentro del garrafón y el aire dentro sus partículas tienen mas libertad para moverse su temperatura aumenta

3) En una expansión adiabática un gas se enfría. ¿Cómo explica esto si Q=0?

Este proceso se realiza cuando un gas pasa de una presión mayor a una menor pero sin ceder o tomar calor del medio, al realizar un trabajo hacia el entorno lo cual hace que descienda su temperatura.

4) Calcule el porcentaje de desviación entre el valor obtenido para ϒ (promedio) en comparación con el valor teóricamente esperado.

5) Calcule los volúmenes y las temperaturas para dos procesos de expansión de 1 mol de aire que inicialmente están a condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), uno isotérmico y otro adiabático utilizando el valor obtenido para ϒ.

Presión (atm) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Volumen (L) 22.4

Proceso Isotérmico. n= 1 mol de aire, T= 273 K, PV= CTE o P1V1=P2V2

Proceso Adiabático. n= 1mol de aire, PVϒ= CTE o P1V1 ϒ= P2V2 ϒ

Presión (atm) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Volumen (L) 22.4

Temperatura (K) 273

NOTA: 1 atm= 1.01325x10⁵ Pa

6) Trace en una hoja de papel milimétrico, en os ejes P en función de V, los datos de las tablas anteriores, correspondientes a las curvas de los procesos isotérmico y adiabático. Interprete los resultados obtenidos.

7) ¿Qué condiciones permiten que un proceso sea adiabático? Fundamente su respuesta en términos de: a) rapidez de la realización del proceso, b) aislamiento del sistema, c) términos de la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica.

Existe un tipo de procesos muy importantes en donde no se permite que exista intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores, a los cuales se les llama adiabáticos.

Y su ley dice: “en procesos en donde no existe transferencia de calor ( adiabáticos) y para la misma cantidad de materia, la presión del sistema gaseoso varía inversamente proporcional al volumen elevado a un exponente llamado de los procesos adiabáticos (ɤ).

8) En un proceso adiabático, ¿para que se utiliza ϒ?

El exponente ɤ para el proceso adiabático es igual a la relación de las capacidades caloríficas molares a presión y volumen constante (Cp/Cv), y se utiliza para representar la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de un mol de gas en una unidad kelvin.

9) Describa brevemente el ciclo de refrigeración, ilustrando su respuesta con un esquema.

El refrigerante se encuentra en el depósito de líquido, pasa por la válvula de estrangulación para presurizarse y llega al evaporador donde absorbe el calor de los alimentos y por lo tanto, los mantiene fríos. Después el refrigerador pasa al compresor donde aumenta su presión. Llega al condensador con una presión alta y una temperatura baja y se convierte en un líquido saturado, entrega calor a la fuente caliente o sea a la habitación, una vez en estado líquido pasa al depósito para completar así el ciclo. Para poder realizar este ciclo se necesita que una fuente externa realice el trabajo sobre el refrigerante: el refrigerador consume electricidad.

CONCLUSIONES

A partir de este experimento podemos concluir que se logró obtener un coeficiente adiabático cercano al teórico, con un error de 2.43%, a partir del sencillo método ideado por Clemente y Désormes. En base a estos resultados se puede afirmar que los objetivos esperados se cumplieron que era acercarnos al valor teórico de γ.

BIBLIOGRAFIA

Smith J.M., Van H.C. & Abbott M.M.; Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, Editorial Mc Graw Hill, Séptima Edición, México; 807págs. 1-44 págs.

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