• Author / Uploaded
• ale maldonado

Citation preview

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior De Ingeniería Química e Industrias Extractivas.

LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE FENOMENOS DE TRANSPORTES

PRACTICA: “CALORIMETRIA: CONDUCCION DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PERDIDAS DE CALOR”

PROFESOR: JUAN RAMON AVENDAÑO GOMEZ

ALUMNO: MALDONADO SANTOS ALEJANDRO EQUIPO: 2 SECCION: A GRUPO: 2IM31 CICLO ESCOLAR 18/2

Índice Objetivos------------------------------------------------------------------------------1 Introducción--------------------------------------------------------------------------2 Ley de Fourier-----------------------------------------------------------------------4 Balance -------------------------------------------------------------------------------5 Procedimiento------------------------------------------------------------------------9 Datos experimentales-------------------------------------------------------------10 Cálculos------------------------------------------------------------------------------11 Tabla de resultados---------------------------------------------------------------12 Conclusión---------------------------------------------------------------------------13 Bibliografías-------------------------------------------------------------------------14

Objetivo General Al término de la práctica, el alumno será capaz de identificar y medir la trasferencia de calor, a través de un cuerpo sólido.

Objetivos Específicos 1. El alumno realizará, el balance de calor total a través de una varilla sólida de bronce 2. El alumno, determinará la cantidad de calor que se transfiere a través del cuerpo sólido aplicando la ley de Fourier 3. El alumno determinará la cantidad de calor perdido hacia los alrededores, mediante el cálculo del coeficiente de transmisión de calor 4. El alumno identificara, cuando se alcanza el estado estacionario de transferencia de calor, mediante un perfil de temperaturas

1

Introducción Calor o Energía Térmica: Es la suma de la energía cinética de todas las moléculas, cuyo resultado es la ganancia o perdida de energía interna; el calor es simplemente otra forma de energía que puede medirse solo en función del efecto que produce. Existen dos unidades para medir el calor: a) Caloría (cal). - Es el calor necesario para aumentar la temperatura de un gramo de agua a un grado Celsius. b) Unidad Técnica Británica (BTU). - Es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua

Calorimetría, es la Ciencia que se encarga de la medición de cantidad de energía generada en un proceso de intercambio de calor.

Calorímetro, es el instrumento de medición que permite cuantificar la cantidad de energía calorífica en un proceso de intercambio de calor, a través de la medición de variables tales como la temperatura y la capacidad calorífica de una sustancia, Calor, es una forma de identificar la presencia o ausencia de energía, en este caso calorífica, mediante la presencia de un gradiente de temperatura, entre una sustancia caliente y una sustancia fría. También representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. Transferencia de Calor, es un proceso mediante, el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos sustancias o cuerpos, o bien puede ser un mismo cuerpo pero con diferente temperatura en diferentes regiones del cuerpo.

2

Formas de trasferencia de calor. El calor se transfiere principalmente por 3 mecanismos, que son convección, radiación y conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, generalmente uno de ellos predomina sobre los otros dos, dependiendo del proceso de estudio.

Conducción, generalmente se asocia a los sólidos, en el sentido de que este mecanismo de transferencia es necesario el contacto entre la sustancia caliente y la sustancia fría. Por ejemplo, Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción.

Ley de Fourier:

Convección, este tipo de mecanismo de transferencia de calor, es asociado a los fluidos, debido a su constante movimiento. Por ejemplo, si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se produce un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Esta dada por la ley de Newton de transferencia de calor: Q=As h(T-Ta)

Temperatura, es una magnitud física que mide la concentración de energía, esto significa que la temperatura es una propiedad física que mide que tan caliente o frío esta una sustancia. La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termómetros o termopares. Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los científicos con el propósito de comunicar y comparar sus resultados. Las dos mas utilizadas son las Celsius y Kelvin. 3

LEY DE FOURIER La ley de Fourier establece que la densidad de flujo de calor por conducción es proporcional a un gradiente de temperatura, e inversamente proporcional a la distancia de propagación del calor.

4

Balance de calor en una barra

5

Balance de calor en un elemento diferencial de la barra con pérdidas de calor Se tiene una barra solida que se calienta con una fuente eléctrica en la parte lateral de la barra en contacto uniforme con el área transversal, las pérdidas de calor se transfieren en el área superficial.

6

7

Procedimiento 1. Explicación del equipo y nodos en la varilla 2. Ubicación de la fuente 3. Se enciende el equipo 4. Tener a la mano un cronometro para realizar lecturas de las temperaturas 5. Se lleva a 3.1 volts y I= 0.1 6. Se enciende el cronometro y en 5 min transcurridos se toma las lecturas de las temperaturas de T1 a la T9. 7. Para observar la estabilización las temperaturas se siguen tomando las temperaturas en 10,15, 20, 25 y 30 min. Con este voltaje se a encontrado estabilización de las temperaturas en cada nodo de entre 30 y 35 min. Con un error ± 0.1-0.2 8. Se obtiene la estabilización y se subraya las temperaturas permanentes en el último tiempo. Estas temperaturas se tomarán para el balance de energía. 9. Encontrada la estabilización de las temperaturas en cada nodo en seguida se realiza la segunda prueba. 10. Se lleva a 7.6 Volts y I=0.29 11. Y nuevamente se procede con el punto 4 12. Se toman lecturas de 5, 10, 15, 20,25, 30,35 min. Con este voltaje se a encontrado en un intervalo de tiempo de 35 a 40 min. 13. Se procede al punto 8. 14. Obtención de graficas de estabilización de temperaturas y tiempo. 15. Obtención de graficas de temperaturas en cada tiempo contra longitud de la barra régimen permanente. 16. Balance de calor en cada nodo obteniendo el calor conducido y perdido con respecto al calor inicial. 8

Datos experimentales Tiempo (min.) 0 3 6 9 12 15 20 25 30 35 40 45

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

20.9 22.8 23.6 24 24.3 24.5 24.8 25 25.2 25.4 25.5 25.6

20.6 21.9 22.6 23 23.2 23.5 23.7 23.9 24.1 24.2 24.4 24.4

20.5 21.5 22 22.3 22.5 22.7 22.9 23.1 23.3 23.4 23.5 23.6

20.6 21.4 21.8 22.1 22.3 22.5 22.7 22.9 23 23.2 23.3 23.3

20.7 21.3 21.8 22 22.1 22.3 22.5 22.7 22.8 23 23.1 23.1

20.4 21.1 21.4 21.6 21.8 22 22.2 22.3 22.5 22.6 22.7 22.8

20.5 21.10 21.4 21.6 21.7 21.9 22.1 22.2 22.4 22.5 22.6 22.7

20.2 20.8 21.1 21.3 21.5 21.6 21.8 22 22.1 22.2 22.3 22.4

20.8 20.9 20.9 20.9 21 21.1 21.2 21.3 21.3 21.5 21.5 21.6

Diámetro:1 cm. Longitud: 35 cm K= 104 Kcal/h Voltaje: 3.1 V. Intensidad: 0.12 Amp. GRAFICAS

REGIMEN DE ESTABILIZACION 26 25

T(°C)

24 T1

23

T4

22

T7

21

T9

20 0

10

20

30

40

50

t(min.)

9

T(°C)

REGIMEN DE PERMANENCIA 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21

T9 Linear (T9) y = -8.1x + 24.898 R² = 0.9

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

X(metros)

10

Cálculos Q inicial= v * I Q inicial= 3.1 * 0.12= 0.372 Watts k bronce = 104 Kcal/ h m At= 0.00007854 m2 El flux inicial se calcula con: qinicial =

𝑄𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐴𝑡

los siguientes flux en cada nodo se calculan con: -qx+Δx = 𝑘

𝑇𝑥−𝑇0 𝑋−𝑋0

𝜋𝐷 2

Qx = 𝑞 ( qinicial =

4

) = 𝑞 ∗ 𝐴𝑡

𝑄𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐴𝑡

-qx+Δx = 𝑘

𝑇𝑥−𝑇0 𝑋−𝑋0

𝜋𝐷 2

Qx = 𝑞 (

4

0.372

= 0.00007854 = 4736.440031𝐾𝑐𝑎𝑙/𝑚2 ℎ = 104

24.4−25.6 0.05−0

=2496 𝐾𝑐𝑎𝑙/𝑚2 ℎ

) = 𝑞 ∗ 𝐴𝑡 =2496*0.00007854=0.19604 Kcal/h

11

Tabla de resultados TX, c T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

0

5

10

15

20

25

30

35

40

4736.4 4003

2496

2080

1594.6 6667

1300

1164.8

1005.3 3333

950.85 7143

1040

0.372

0.1960 3584

0.1633 0.1252 632 4512

0.102 102

0.0914 8339

0.0789 5888

0.0746 8032

0.0816 816

L(cm)

FLUX Kcal/ m2h FLUJ O Kcal/ h

12

Conclusión Cuando la barra está sometida en un extremo a una fuente caliente de temperatura constante y su otro extremo queda libre, la temperatura decrece exponencialmente con la distancia. El calor es la transferencia de energía entre diferentes zonas que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde la zona de mayor temperatura hacia la zona de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambas zonas se encuentren en equilibrio térmico. Los factores que causan perdidas en este tipo de sistemas son las condiciones del aislante las cuales no estaban en buenas condiciones y se tuvieron variaciones y se supone que este sistema es aislado, pero por la perdida del aislante se tuvieron perdidas de calor las cuales fueron expulsadas por radiación como calor perdido.

13

Referencias  

Pitts, D. R., Sissom, L. E., Transferencia de calor, Series Schaum, McGraw-Hill. FENOMENOS DE TRANSPORTE 2ª. EDICION, BYRON BIRD, WARREN STEWART, EDWIN LIGHTFOOD, LIMUSA-WILEY, 2008.

14