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• Jason Charles Arevalo Leal

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FLUIDOS Y TERMODINAMICA

CALORIMETRIA

INTEGRANTES: MILENA MARTINEZ BOLIVAR

1711024776

JAVIER ALEJANDRO GRANADOS RIVERA

1620210285

EDWIN ALFONSO ZAMORA OYOLA

1121590055

MAURICIO BERNAL GONZALEZ

1811981259

CINDY JOHANNA RUEDA CUJAVANTE

1621024454

GRUPO 3 SUBGRUPO 18

TUTOR FERNANDO ESPITIA

INSTITUCIÓN UNIVERSITARIA POLITECNICO GRANCOLOMBIANO FACULTAD DE INGENIERIA Y CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA EN LOGISTICA COLOMBIA OCTUBRE de 2019

Tabla de contenido 1.

INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................3

2.

HISTORIA.................................................................................................................................4

3.

OBJETIVOS..............................................................................................................................4 3.1 OBJETIVOS GENERALES....................................................................................................5 3.2

4.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.............................................................................................5

METODOLOGIA......................................................................................................................5 4.1 PRIMERA ENTREGA.............................................................................................................5 4.2

SEGUNDA ENTREGA...................................................................................................13

4.3 TERCERA ENTREGA..........................................................................................................19 5.

CONCLUSION........................................................................................................................24

6.

BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................25

7.

ANEXOS.................................................................................................................................26

CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1 TABLA DE CONVERSIÓN (MILENA MARTINEZ).................................................10 Tabla 2 TABLA DE CONVERSIÓN (JAVIER GRANADOS)..................................................10 Tabla 3 TABLA DE CONVERSIÓN (EDWIN ZAMORA)........................................................11 Tabla 4 TABLA DE CONVERSIÓN (MAURICIO BERNAL)..................................................11 Tabla 5 TABLA DE CONVERSIÓN (CINDY RUEDA)............................................................12 Tabla 6 TABLA DE ELIMINACIÓN (JAVIER GRANADO).....................................................................14 Tabla 7 TABLA DE PROCEDIMIENTOS..............................................................................................17 Tabla 8 TABLA DE RESULTADOS......................................................................................................17 Tabla 9 CALOR ESPECIFICO Y MASA DEL ALUMINIO Y COBRE........................................................20 CONTENIDO DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 SIMULACIÓN DEL LABORATORIO VIRTUAL CON DISTINTOS SOLIDOS..........................................................................................................................................7 Ilustración 2 SIMULACION EXPERIMENTAL DEL SÓLIDO A HASTA EL F...................8 Ilustración 3 Termodinámicos más representativos de las escuelas de termodinámica...........26 Ilustración 4 PRIMERA BOMBA DE AIRE.........................................................................................27 Ilustración 5 PRIMERA BOMBA DE VACÍO......................................................................................27

1. INTRODUCCIÓN

Con las capacidades sensoriales del cuerpo humano podemos percibir lo frío y caliente de una superficie a lo cual se le denominó con el concepto de temperatura, esta magnitud mediante la cual se formula el valor de la transferencia de calor de un cuerpo a otro medible con instrumentos fabricados para tal fin. De igual manera dentro del proceso de estudio se han venido adquiriendo diversos conocimientos relacionados a los conceptos y magnitudes básicas de la termodinámica, de la identificación de las diferentes formas de energía, que permiten una adecuada aplicación de las leyes de la termodinámica, logrando la consolidación de un trabajo argumentativo, colaborativo y practico en el cual a continuación se ven plasmadas las evidencias y argumentos resultantes de las fases de cada semana. Estos simuladores permiten mediante una experiencia virtual, una experiencia real que las cuales nos dan ciertos tipos de sustancias desconocidas las cuales se eligen aleatoriamente los gramos y la temperatura inicial de un sólido, frente a la otra sustancia conocida que es el agua, en donde después de cierto tiempo nos da el resultado de la temperatura de equilibro para determinar así la temperatura final de la reacción. Partiendo así con el concepto de calor, hasta llegar al uso y la práctica de la teoría de termodinámica mediante otros cuestionamientos en la guía.

2. HISTORIA El hombre de la prehistoria uso energía calorífica para cocinar los alimentos, fundir los minerales entre otros usos. La iluminación artificial inicio con la fricción de las piedras las cuales producían fuego, luego usaron antorchas para mantener ese fuego, permitiéndoles iluminar sus viviendas o cuevas, iniciando así con el proceso de la combustión. La termodinámica es una rama de la física sus comienzos se ven con: 

Otto von Guericke, en 1650 diseña y construye la primera bomba de vacío.



Robert Boyle y Robert Hooke, crean la bomba de aire. Observando con esta creación una correlación entre presión, temperatura y volumen.



Se da la Ley de Boyle que establece que la presión y la temperatura son inversamente proporcional.



Boyle y Denis Papin construyeron el digestor de vapor.



Thompson, en 1798 demostró la conversión del trabajo mecánico en calor.



Joseph Black, desarrollo los conceptos de capacidad calorífica y calor latente.



James Watt, estudia la magnitud de calor en función de la máquina, permitiendo estudiar su rendimiento, introduciendo el termino de trabajo de fuerza.



Robert Fulton, en 1807 puso en funcionamiento el primer barco de vapor, el buque de vapor norteamericano Savannah.



George Stephenson, instalo la primera máquina de vapor en un vehículo terrestre, dando inicio a la era del ferrocarril.



Joule, formulo en 1847 la primera Ley de la Conservación de la energía. “la energía no se crea ni se destruye, se transforma”



William Rankine, en 1859 escribe el primer libro de termodinámica.



en 1850 surgen simultáneamente La primera y segunda ley de la termodinámica, principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolf Clausius y William Thomson.



Josiah Willard Gibbs, entre 1873 y 1876 publico una serie de documentos, popularizándose "el equilibrio de las substancias heterogéneas", en la

que demostró como los procesos termodinámicos, incluyendo las reacciones químicas, pueden ser gráficamente analizados al estudiar la energía, entropía, volumen, temperatura y presión en los sistemas termodinámicos, de tal manera, se puede determinar si un proceso ocurrirá espontáneamente.

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVOS GENERALES



Utilizar el simulador para el calor especifico y tabular la información consignada en las muestras hechas por cada integrante del equipo



Relacionar los conceptos teóricos a través de las fórmulas de las leyes termodinámicas debatiendo conceptos y concluyendo.



Integrar los conocimientos del proyecto a cada uno de los temas tratados en los módulos.

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Determinar el calor especifico de un cuerpo solido mediante un proceso de calorimetría.



Deducir la relación entre la masa y la temperatura en el proceso de transferencia de calor entre dos cuerpos.



Analizar estadísticamente los datos obtenidos del simulador de calorimetría.

4. METODOLOGIA 4.1 PRIMERA ENTREGA 1. Armar 12 configuraciones DIFERENTES donde debe variar la masa y la temperatura del sólido y la masa y la temperatura del líquido (dos por cada solido A, B, C, D E, F). Saque la gráfica de cada configuración y haga manualmente los cálculos de calor especifico apoyándose en la lectura anterior. Necesitará los datos de temperatura inicial y final, la masa y el 𝑐𝑝 del agua. También los datos de temperatura inicial y final y la masa del sólido. Registre todos los resultados en la tabla del punto 4 (Si para cuando usted esté realizando esta actividad, otros integrantes del grupo ya han realizado sus tablas, procure usar valores diferentes a los de ellos en el simulador, no puede haber dos integrantes con configuraciones iguales). 2. Calcule el Cp con la ecuación 3 (arriba), donde m1 y T1 son la masa y la temperatura del agua, m2 y T2 la masa y la temperatura del sólido, y Te, es la temperatura de equilibrio o final la cual es igual para ambos cuerpos (aparece en números verdes en la simulación). Recuerde que el delta de temperatura es igual tanto para grados Celsius como para Kelvin. Tenga precaución por que el Cp, no debe dar negativo. 3. Incluya en el foro de su grupo la tabla con los datos y el resultado del 𝑐𝑝 y una imagen de cada configuración o sea seis en total. (ver en preguntas frecuentes para ver cómo se suben las imágenes). 4. Compare los resultados entre las configuraciones de un mismo sólido. ¿Son iguales?, varían? ¿De qué depende? Responda en el mismo FORO donde publicó su tabla.

Ilustración 1

SIMULACIÓN DEL LABORATORIO VIRTUAL CON DISTINTOS SOLIDOS

Ilustración 2 SIMULACION EXPERIMENTAL DEL SÓLIDO A HASTA EL F

Método para hallar el calor especifico con los datos ingresados Milena establece formula que corrobora el compañero Alejandro

Los términos que utilizo Edwin y la formula abordados de manera incorrecta fueron corregidos. Consideramos incluir todas las tablas de los compañeros para relacionar mejor los datos evidenciando unos márgenes muy estrechos en cada muestra de sustancias.

Tabla 1 TABLA DE CONVERSIÓN (MILENA MARTINEZ)

Tabla 2 TABLA DE CONVERSIÓN (JAVIER GRANADOS)

Tabla 3 TABLA DE CONVERSIÓN (EDWIN ZAMORA)

Tabla 4 TABLA DE CONVERSIÓN (MAURICIO BERNAL)

Tabla 5 TABLA DE CONVERSIÓN (CINDY RUEDA)

Primera inferencia. 

Llegamos a la conclusion de definir que cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande y que la cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura, respondiendo así al análisis planteado de comparación de configuraciones de un mismo sólido cuando Edwin se refiero a este concepto Alejandro asegura que los cambios entre sustancias se muestran por centenas, es decir, si una sustancia esta en margen de 100 a 200 y otra entre 400 y 500, evidenciado en todas las tablas Milena asegura que esto se debe a la cantidad de calor que suministre la masa en la sustancia para poder elevar la temperatura en el recipiente. En términos generales los conceptos se acercan mucho en diferentes términos. Es entonces la evidencia de que es calor especifico, transferencia de calor o, mejor dicho: calorimetría.

4.2 SEGUNDA ENTREGA 1. Luego de la fase individual donde cada integrante del grupo armo 12 configuraciones diferentes variando la masa y la temperatura del agua y del sólido, deberán comparar los resultados del Cp para cada sólido. 2. Compare nuevamente los resultados entre las configuraciones de un mismo sólido. ¿son iguales?, ¿varían?, ¿de qué dependen?

3. ¿Qué sólido tiene el Cp más alto?,¿Qué significa que una materia tenga una capacidad calorífica más alta o más baja en términos de transferencia de calor? 4. Con base en la tabla obtenida en el punto 1 de esta fase grupal, calcule el error estadístico del calor especifico promedio de cada solido estudiado usando los métodos previamente explicados, ¿considere el intervalo es necesario destacar los valores de cada caso?, ¿considera que debe ser usado el factor de corrección t de Student en cada caso? 5. De acuerdo a los valores del cociente puede decir de la calidad del proceso

obtenidos en casa caso, ¿Qué medición?

Hemos utilizado la tabla de Alejandro porque realizo la eliminación de datos desfasado pero las tablas operativas de Cindy, por vinculación del contenido preciso de cálculo, ya que, lo hemos elaborado de esta manera. Entonces agregar todos los datos seria repetitivo, cabe aclara que no todos eliminaron datos desfasados, pero si utilizaron un margen acorde para los intervalos.

Tabla 6 TABLA DE ELIMINACIÓN (JAVIER GRANADO)

Los datos se obtuvieron de la siguiente manera

Tabla 7 TABLA DE PROCEDIMIENTOS

Los datos se han consignado en la siguiente tabla

Tabla 8 TABLA DE RESULTADOS

Los promedios de todas las tablas entre los compañeros son idénticos pero el error estadístico y el factor de corrección son dispares por la forma en que abordamos las formulas y los datos que tomamos, inclusive cuando eximimos los datos que se encontraban por fuera de los rangos, así que, los márgenes, aunque fueran diferentes las cifras seguían

muy próximas entre cada compañero y era posible concluir sin desviar por completo el objetivo.

tomando el promedio de los datos hallados dentro del rango y su error estadístico asociado, diremos que la mejor estimación del calor específico para la muestra

Acordamos en las conclusiones de todos los puntos como: Comparemos los resultados entre las configuraciones de un mismo sólido. 1.

¿Son iguales?

                No   2.

¿varían?

                Sí   3.

¿De qué depende?

De la cantidad de calor que suministre la masa en la sustancia para poder elevar la temperatura en el recipiente.

¿Qué solido tiene el 𝑐𝑝 mas alto? El sólido F, significa que un material tenga una capacidad calorífica más alta o más baja en términos de transferencia de calor, de la cantidad de calor que adsorba la masa para elevar la temperatura.

4.3 TERCERA ENTREGA 1. En esta fase, deberán participar todos los integrantes del grupo, al igual que en la semana 4, se deben discutir los siguientes ejercicios en el foro de su grupo, y se pueden apoyar entre sí para darles solución. Recuerden que todas las participaciones de cada integrante deben quedar registradas en el foro. Se debe responder a las siguientes preguntas.

2. Cuando estos dos metales entran en contacto ¿qué puede suceder? Discuta con sus compañeros en el foro cada preposición y justifique la respuesta. a) El calor fluirá del Al al Cu debido a que el Al tiene un calor especifico mayor. b) El calor fluirá del Cu al Al debido a que el Cu tiene mayor masa. c) El calor fluirá del Cu al Al debido a que el Cu tiene una capacidad calorífica mayor d) El calor no fluirá hacia ninguna dirección. 3.

Explique la utilidad de calcular el calor especifico de un material o una sustancia a nivel industrial o a nivel ambiental. Cite al menos tres ejemplos reales y que implicaciones tendría esto a nivel beneficio/costo de un proceso.

Discuta con sus compañeros en el foro y justifique la respuesta. 4. Si usted fuera el ingeniero de una planta industrial y en uno de los procesos se requiere calentar un fluido con intercambiador de calor (vea la sección de

dispositivos de ingeniera semana 6), usted utilizaría agua o aceite mineral para calentarlo. Que criterio técnico utilizaría. Discuta con sus compañeros en el foro y justifique la respuesta. 5. Consolide toda la información obtenida durante las semanas 4 y 5, lo cual significa que los resultados deben discutirse entre el grupo, seleccionar los mejores y mostrar la información organizadamente. Es decir, deben incluir la tabla del grupo con los valores del Cp, los datos estadísticos, la discusión de que significan estos datos, como los obtuvieron, por que existe y como se explica la variación y el error en los datos del grupo, y consolidar en una sola respuesta la discusión del cuestionario de la semana 5.

Utilizamos la tabla inicial.

Tabla 9 CALOR ESPECIFICO Y MASA DEL ALUMINIO Y COBRE

Uno de los integrantes utilizo la siguiente formula, pero no correspondía a la cantidad de datos manejados. Por ello unanimito revisamos y pudimos identificar la que correspondía con paridad de resultado final.

Cuanto mayor es la capacidad calórica del sistema, menos es la variación de la temperatura ya que puede hacerse tan pequeña como se desee. Y aunque hallamos utilizado diferentes ejemplos es notable que el concepto está claro en la función. 3.

Explique la utilidad de calcular el calor especifico de un material o una sustancia a nivel industrial o a nivel ambiental. Cite al menos tres ejemplos reales y que implicaciones tendría esto a nivel beneficio/costo de un proceso. 

  Las utilidades de calcular el valor del calor específico de un material o sustancia son las siguientes:    Diseño de sistemas térmicos aislantes por la capacidad de los materiales o sustancias de ceder o ganar calor, con el beneficio de conservar con mayor tiempo productos reduciendo costos de perdida de materia prima.

 En informática, mediante el disipador de calor reducción de temperaturas de procesamiento mediante proceso de conducción, logrando beneficios en la tasa de transferencia optima de datos a un bajo costo.  En el área de emergencias más específicamente de Bomberos, al conocer el comportamiento de estos materiales o sustancias respecto al calor especifico, es posible crear barreras térmicas con mayor efectividad cuando exista un incendio evitando la transferencia de calor mediante convección, radiación o conducción, con el beneficio de lograr contener de una forma efectiva la emergencia presentada, disminuyendo costos asociados a la recuperación del inmueble.    4. Si usted fuera el ingeniero de una planta industrial y en uno de los procesos se requiere calentar un fluido con intercambiador de calor (vea la sección de dispositivos de ingeniera semana 6), usted utilizaría agua o aceite mineral para calentarlo. Que criterio técnico utilizaría. Discuta con sus compañeros en el foro y justifique la respuesta. yo como ingeniera de una planta industrial en la cual se requiere calentar un fluido con intercambiador de calor, yo utilizaría el aceite por sus grandes beneficios a nivel industrial, ya que el aceite mineral, se adapta fácilmente a las necesidades industriales. soportados de la siguiente manera: En la industria actual, existen muchos procesos en los cuales el aporte calorífico no es posible realizarlo por medio de un sistema directo y debe recurrirse a sistemas de calentamiento con aceite térmico. Esto sucede cuando el material a calentar es inflamable, cuando es posible causar una descomposición térmica del mismo o el número de puntos de consumo es considerable, o bien cuando es necesario lograr un calentamiento regular a elevada temperatura. Una sustancia que deba ser usada como portadora de calor, deberá satisfacer inicialmente las siguientes condiciones: 

Ser barata y de fácil obtención



Buena estabilidad térmica



No debe atacar a los materiales de construcción del sistema



Baja volatilidad



Buenas propiedades de transferencia de calor



Bajo punto de solidificación y baja viscosidad

El agente transmisor de calor con las propiedades caloríficas más favorables es el agua, ya que permite transmitir grandes cantidades de calor hasta 100 º C sin presión y el precio del producto en sí no es elevado y es de fácil obtención. No obstante, el aumento de temperaturas impone condiciones considerables a las instalaciones y a los materiales. A 180 º C, el agua desarrolla una presión de vapor de 10 bar, alcanzando 50 bar para una temperatura de 260 º C. Ello implica una serie de exigencias (obra civil, conductor de caldera) y riesgos inevitables. Por otro lado, los problemas de corrosión, mantenimiento y tratamiento de agua, son de todos conocidos. Todo ello hace que el sistema de calefacción indirecto por vapor se encuentre hoy en día en franca regresión. Con los sistemas de calentamiento con aceite térmico es posible operar con presiones muy bajas, dentro de una gama de temperaturas hasta 350 º C. Los problemas de corrosión son inexistentes, y su bajo riesgo posibilita la ubicación de las calderas en las propias naves de trabajo sin necesidades de obra civil especial. Por otro lado, al trabajar siempre en fase líquida, sin cambios de estado durante el proceso, conlleva un ahorro energético importante en comparación con el tradicional y convencional circuito de vapor (pérdidas entálpicas de los condensados). Los usos industriales de un sistema de aceite térmico aportan una multitud de ventajas: 

Permiten sistemas de control del calor avanzados



Mejor rendimiento energético



Ahorro económico



Mayor flexibilidad y adaptación a las necesidades específicas y concretas de cada actividad industrial.



La tecnología del fluido térmico es capaz de funcionar con temperaturas muy elevadas, sin que ello requiera que necesiten altas presiones de trabajo para mantener estas temperaturas.



El aceite térmico evita los riesgos de formación de incrustaciones y corrosión, respecto a otros sistemas térmicos, proporcionando diferentes opciones de operaciones automáticas que pueden ayudar a conseguir la eficiencia óptima del sistema de calefacción, con un coste mínimo y unos elevados niveles de seguridad para su empresa.

Esto significa que el aceite térmico tiene muchas ventajas y beneficios, en cuanto a la eficacia y la seguridad respecto a otros sistemas de calentamiento de procesos.

5. CONCLUSION Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura, como se pudo observar en la experiencia del laboratorio virtual.  Cuyo cuerpo del agua A es mayor que la del Sólido cuerpo B, TA>TB. pero dependiendo de la cantidad de calor y masa trasmitida por dicho sólido, mantenía o aumentaba la temperatura de la sustancia, en este caso el agua. Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan. Observando que deltaQ se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. Demostrando que el calor que entra en un sistema es una propiedad extensiva. En el caso de las sustancias usadas en el simulador, cuyas sustancias puras transmitían o adsorbían calor dependiendo de la cantidad de materia o masa que esta tuviera además de su temperatura. Además se puede observar la importancia de la termodinámica en la vida diaria desde la conservación de la vida hasta la utilización de ellos en casa, en fábrica y en uso personal para conservarlos alimentos calientes.

6. BIBLIOGRAFIA



https://poligranmy.sharepoint.com/personal/angrodri_poligran_edu_co/_layouts/15/onedrive.aspx?id= %2Fpersonal%2Fangrodri%5Fpoligran%5Fedu%5Fco%2FDocuments%2FTrabajo %20colaborativo%2D%20Calorimetria%20%2Epdf&parent=%2Fpersonal%2Fangrodri %5Fpoligran%5Fedu%5Fco %2FDocuments&originalPath=aHR0cHM6Ly9wb2xpZ3Jhbi1teS5zaGFyZXBvaW50LmN vbS86YjovZy9wZXJzb25hbC9hbmdyb2RyaV9wb2xpZ3Jhbl9lZHVfY28vRVo0SEp6UE9 nUU5FcENJaVJIMGVWX0VCTVJ6ZUJHbzA1Qk1fWHZLUWpIbG1PUT9ydGltZT1Se mUzSl9KRjEwZw



www.linseis.com/es/propiedades/capacidad-calorica-especifica/



https://es.slindeshare.net/mobile/cipresdecartagena/elevado-calor-especifico-delagua-9430106



https://iurbina.forosactivos.net/t7-aplicaciones-de-calor-especifico

 

http://didactica.fisica.uson.mx/cursos/fisord/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm



http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/calor.html



https://www.fisicalab.com/apartado/calor#contenidos



http://fisicadeonce.blogspot.com/2012/02/historia-de-la-termodinamica_27.html

 

7. ANEXOS

Físicos que hacen parte de la historia de la termodinámica

Ilustración 3 Termodinámicos más representativos de las escuelas de termodinámica.

BOMBA DE AIRE

Ilustración 4 PRIMERA BOMBA DE AIRE

BOMBA DE VACIO

Ilustración 5 PRIMERA BOMBA DE VACÍO