Aplicación De La 1Era Ley De La Termodinámica

Termodinámica General y Laboratorio - IWM 210, Roberto Leiva.
Laboratorio N°2 “Aplicación de la 1era ley de la termodinámica”

Carolina Anabalón- Javiera Barraza
Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ingeniería Mecánica

Junio 29, 2012

Resumen La experiencia consiste en medir el cambio de temperatura del aire al expandirse. Para ello se utilizará un tanque lleno deaire comprimido. Al abrir la válvula el aire sale del tanque al ambiente, el cambio de presión provoca una expansión del fluido con el consecuente cambio de temperatura. Se medirá empíricamente este cambio de temperatura y se comparara con valores calculados teóricamente, cuantificando el error respecto a la teoría.
Objetivos
-Aplicar la ecuación de estado de gases ideales
-Aplicar la primeraley de la termodinámica.

1. Introducción a la teoría

En la experiencia se utilizó un sistema conformado por cañerías, en conjunto con un compresor y un estanque utilizándose como un sistema abierto, puesto que la masa dentro del sistema no es constante, no así el volumen, ya que este si se mantiene fijo durante toda la realización de la experiencia. El flujo tampoco es permanente, ya queen un momento queda dentro del volumen de control. Se utilizo para el balance de energía la ecuación (1) sugerida en el texto guía para conservación de energía en sistemas abierto:
(1)

Donde (2)

En relación a la fórmula utilizada, Q[Kj] representa el calor enviado o recibido del alrededor al sistema, W[Kj] es el trabajo efectuado por el sistema, m[Kg] identifica lamasa, los subíndices s y e son para indicar salida y entrada respectivamente. h[Kj/Kg] indica la entalpia, v[m/s] hace referencia a la velocidad(energía cinética), g[m/s2] es la aceleración de gravedad y z[m] es la altura por lo que la expresión en conjunto hace referencia a la energía potencial. Finalmente U[Kj] representa la energía interna.
Otra fórmula a utilizar es la ecuación del gas ideal,la cual está conformada por la siguiente expresión:
(3)
P · V = m· R · T
Donde P[kpa] es la presión, V[m3] es el volumen, m[kg] es la masa, R[kj/(kg*k)] es la constante de gas igual a R=0,28705 [KJ/Kg·K] y T[K] la temperatura.

Algunas suposiciones y aproximaciones:

Se toma como estado 1 cuando el estanque está lleno y ambas válvulas cerradas, y comoestado 2 cuando el tanque se está vaciando.
El calor (Q) transferido o recibido del estanque al medio es despreciable.
Como la frontera no se mueve, el trabajo (W) es despreciable.
No hay entrada de masa (me) en el transcurso de los sucesos.
Al abrir la válvula de escape del estanque, la cantidad que queda dentro de éste es despreciable, en comparación a la masa escabullida.
La energía cinética ypotencial se consideran despreciables, = 0 y = 0
El balance de masa está dado por:

(4)

Pero como despreciable, tenemos:

(5)
Se tiene entonces:
(6)

Para el tipo de procesos que estamos usando tenemos:

(7)
(8)
Donde Cp=1,005[kJ/kg·K], Cv=0,718 [kJ/kg·K], son los calores específicos a presión constante y volumen constante respectivamente.
Además asumiremos que la temperatura desalida es igual a T2
Tenemos entonces con (6), (7) y (8):
0 = (m1-m2)*Cp*Ts + Cv*(m2*Ts – m1*T1)
(9)

Utilizaremos además la siente relación para el cálculo de error

(10) E= |texp-tteo|tteo*100%

2. Procedimiento experimental

Para la experiencia se utilizo un compresor de aire, el cual estaba conectado a un estanque marca Estangas Ltda.(Imagen1) de capacidad 122[lt]. Seincorporaron sensores los cuales mediaran presión y temperatura, con el fin de determinar el cambio de la temperatura al dejar salir el aire del estanque.

Imagen 1. Tanque usado para la experiencia. Se indican: A: Válvula de entrada conectada al compresor. B: Válvula de salida al ambiente. C: Válvula de seguridad.

Imagen 2. Compresor utilizado, Potencia: 9.5 [CV] y Capacidad de aspiración:...