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MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE TERMODINÁMICA EDGAR RAFAEL ACOSTA LÓPEZ ANGÉLICA CASTRO GARAY

2020

2

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

PRIMERA EDICIÓN

3

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE EDGAR RAFA TERMODINÁMICA EDGAR RAFAEL ACOSTA LÓPEZ Docente de Ingeniería de Alimentos de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias de la Universidad Nacional del Centro del Perú

ANGÉLICA CASTRO GARAY Docente de Tecnología de Alimentos de la Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad Nacional del Centro del Perú

4

Título original:

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Primera edición Autores: Edgar Rafael Acosta López Angélica Castro Garay

Editor: Edgar Rafael Acosta López Prolongación Trujillo N° 161, El Tambo - Huancayo Teléfono 064-508877 – RPC 965443002 E-mail: [email protected]

Derechos reservados: © 2020 Son propiedad del editor. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida o transmitida, mediante ningún sistema o método, electrónico o mecánico (incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de recuperación y almacenamiento de Información), sin consentimiento por escrito del editor.

Primera edición: ENERO 2020 Tiraje: 100 ejemplares Hecho el Depósito Legal en la Biblioteca Nacional del Perú N°…………. Hecho en el Perú ISBN: …………..

Impreso en……….

5

LISTA DE CONTENIDOS

Guía de práctica

Título de la práctica

Pág

N° PRÓLOGO

6

01

Las Leyes de la Termodinámica

7

02

Dependencia de la presión de vapor de agua con la temperatura

11

03

Medición de la energía cinética y trabajo de flujo

15

04

Motor térmico

20

05

Ebullición de agua a baja presión

25

06

Presión de vacío en el espacio de cabeza formado en el enfriamiento

29

de un producto liquido 07

Extracción de aceite esencial por arrastre de vapor

36

08

Mezclas frigoríficas

40

09

Mezcla frigorífica (hielo + sal) en la congelación de chupetes de hielo

43

con pulpa de fruta 10

Generación de energía eléctrica utilizando vapor

46

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

49

6

PRÓLOGO

El propósito del manual de prácticas de Laboratorio es facilitar la comprensión de los principales fundamentos de la termodinámica a través de experimentos de manera que el estudiante pueda comprobarlos en la práctica, muchas veces sencillos para luego desarrollar algunos modelos que representen el sistema termodinámico, utilizando equipos, instrumentos y otros dispositivos diseñados para la realización de las experiencias. Las experiencias a nivel de laboratorio permiten en los estudiantes adquirir habilidades y destrezas, comprobar la teoría, la obtención y toma de datos que prepara al estudiante en la investigación científica. El Manual de prácticas de laboratorio, genera la interacción entre el profesor y el estudiante. El profesor explicará el contenido teórico y guiará el experimento a nivel de laboratorio, mientras que el estudiante desarrollara el experimento. Las prácticas de laboratorio buscan orientar el aprendizaje de la termodinámica, demostrando de forma ilustrada y concreta, fenómenos que forman parte de nuestra vida pero que no son fáciles de comprender a simple vista, tales como las leyes de la termodinámica, medición de la energía cinética y trabajo de flujo, motor térmico, dependencia de la presión de vapor de agua con la temperatura, usos del vapor de agua, mezclas frigoríficas entre otros. Los experimentos que se presentan en el manual han sido diseñados y adaptados en base a referentes y experiencias de otras Universidades. Espero sinceramente que este manual sea un valioso aporte a la asignatura y promueva el interés adicional en el campo de la termodinámica.

LOS AUTORES

7 GUIA DE PRACTICA N° 1 LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA I.

OBJETIVOS: Al finalizar la práctica el alumno será capaz de:  Analizar e interpretar las leyes de la termodinámica  Calcular la temperatura de equilibrio, realizar el balance de energía y determinar la variación de la entropía

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. La Termodinámica se fundamenta en cuatro Principios o Leyes La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas, A y B, están en equilibrio termodinámico, y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este principio se enunció luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la termodinámica, por eso se llamó “ley cero”. La primera ley de la termodinámica, conocida como ley de la conservación de la energía enuncia que la energía es indestructible, siempre que desaparece una forma de energía aparece otra. Específicamente, la primera ley establece que, al variar la energía interna en un sistema cerrado, se produce calor y trabajo. “La energía no se pierde, sino se transforma”. La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde un cuerpo de temperatura más alta a otro de temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entropía, la cual se define como la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es más fácil de entender con el ejemplo de una máquina térmica: Una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua), provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón a través de una válvula, la expansión mueve el pistón, y por un mecanismo de acoplamiento adecuado, se obtiene trabajo mecánico. El trabajo se da por la diferencia entre el calor final y el

8 inicial. Es imposible la existencia de una máquina térmica que extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fría. La entropía es una de las propiedades termodinámicas difíciles de entender y esta descrita como una medida del orden o desorden de un sistema. La tercera ley de la termodinámica sugiere que la entropía de una sustancia tiende a cero a medida que su temperatura se acerca al cero absoluto. Se puede afirmar que a la temperatura del cero absoluto, la entropía de una sustancia pura en alguna forma cristalina perfecta, se vuelve cero. Esta generalización se conoce como tercera ley de la termodinámica. III. MATERIALES Y MÉTODOS: 3.1 Equipos y materiales  03 Vasos de precipitación de 600 mL  02 Termómetros  Balanza analítica  Cocinilla eléctrica  Cronometro  10 cubos de hielo coloreado  01 Placa Petri  1 L de agua helada 3.2 Metodología 1. Preparar los cubos de hielo coloreados (agua coloreada congelada). 2. Primer experimento en un vaso de precipitación llenar 500 mL de agua fría a 8 0C, medir la temperatura, pesar un cubo de hielo (g), medir la temperatura y luego añadir el hielo al vaso con agua y colocar el termómetro, anotar el tiempo de inicio. A los pocos segundos se observará líneas de colorante que se desprenden del cubo de hielo en forma de flujo laminar descendiendo por un costado del vaso y el agua comienza a tomar color. Medir la temperatura final, la temperatura del ambiente y el tiempo final. 3. El segundo experimento se realiza con agua tibia a 280C. Se sigue el mismo procedimiento del primer experimento. Al introducir el hielo al agua tibia, transcurre un tiempo mínimo para que el colorante fluya, pero esta vez en

9 forma de flujo turbulento. Anotar las temperaturas finales, ambiente y el tiempo final. 4. El tercer experimento se realiza con agua a 800C. Se realiza el mismo procedimiento

del

primer

experimento.

El

colorante

fluye

casi

instantáneamente en forma de flujo turbulento, el tiempo es muy corto. Anotar la temperatura final y del ambiente y el tiempo final. IV. RESULTADOS Y DISCUSION Observar y anotar los fenómenos termodinámicos que se presentan en las experiencias e interpretar con las leyes de la termodinámica. Reportar los siguientes controles: Cuadro 1. Controles de la práctica Experimento

Temperatura de Hielo Inicial (°C)

Masa Hielo (g)

de

Temperatura agua inicial (°C)

de

Masa de Agua (g)

Temperatura de equilibrio del sistema (°C)

Tiempo (s)

1 2 3 Realizar los siguientes cálculos: 1. Calcular la temperatura de equilibrio 2. Realizar el Balance de energía en los experimentos 3. Medir la variación de la entropía

∆𝑆 =

𝛿𝑄 𝑇𝑒𝑞

V. CUESTIONARIO 1. Utilizar un diagrama de flujo del procesamiento de un alimento y explicar en qué operaciones se manifiesten las leyes de la termodinámica. 2. Utilizar un artículo científico de las leyes de la termodinámica aplicado a la ingeniería de alimentos, interpretar y analizar.

VI. BIBLIOGRAFÍA  Acosta L. E. 2014. Separatas de la asignatura de Termodinámica. Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias. Universidad Nacional del Centro del Perú. Huancayo-Perú.

10  Faires, V. M. y Simmang, C.M. 2003. Termodinámica. Ed. Limusa, México  GOBBI, Alejandro Iván. LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA. Documento en línea http://www.ib.edu.ar/becaib/cd-ib/trabajos/Gobbi.pdf Instituto Nuestra señora de Fátima, Cipolletti, Río Negro.

11 GUIA DE PRÁCTICA Nº 2

DEPENDENCIA DE LA PRESIÓN DEL VAPOR DE AGUA CON LA TEMPERATURA I. OBJETIVOS Al finalizar la práctica el alumno será capaz de:

•

Construir la curva de saturación líquido-vapor.

• Relacionar los valores de presión de saturación experimental con valores de las tablas de propiedades termodinámicas del vapor saturado. II. FUNDAMENTO TEORICO La temperatura y presión de saturación son aquellas en donde ocurre la ebullición de una sustancia pura. Para una presión de saturación existe un único valor de temperatura de saturación y viceversa. Para el agua, a una presión de 101.35 kPa la temperatura de saturación es 100ºC. En sentido inverso, a una temperatura de 100ºC la presión de saturación es 101.35 kPa. La gráfica de Psat vs Tsat proporciona una curva característica para cada sustancia pura y se conoce como curva de saturación de líquido-vapor. Un líquido entra en ebullición a la temperatura en la cual su presión de vapor se iguala a la presión externa a la que está sometido. El método experimental consistirá en someter a distintas presiones al agua líquida y, para cada presión externa, determinar su temperatura de ebullición. Cuando esta ocurra, la presión del sistema será la presión de vapor del agua a dicha temperatura. Por consiguiente, sometiendo el agua a distintas presiones podremos determinar la curva de equilibrio líquido-vapor La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado.

12

Figura 1. Curva de saturación Mezcla (liquido – vapor) de agua

III. MATERIALES Y METODOS 3.1 Materiales -

01 Termómetro, con tapón de jebe.

-

01 balón de vidrio de 1 L

-

02 Matraces kitasato 250 mL

-

02 Soportes universal con abrazaderas

-

01 Refrigerante con serpentín

-

Cocina calefactora

-

Válvula reguladora

3.2 Equipos -

Bomba de vacío

-

Manómetro de vidrio en U con mercurio.

3.3 Método experimental. En la Figura 2 se muestra el esquema del dispositivo experimental. El dispositivo consta de dos partes: la primera contiene varios elementos que permiten medir y variar la temperatura del agua. La segunda permite medir y variar la presión del sistema. El dispositivo experimental tiene dos trampas para evitar la entrada de agua líquida o vapor y el líquido manométrico en la bomba de vacío.

13 La temperatura del sistema se mide con un termómetro situado en el balón donde se produce la ebullición del agua. El balón se coloca en una cocinilla calefactora que permite variar la temperatura del agua líquida. La presión del sistema se regula mediante la acción combinada de una bomba de vacío y una válvula reguladora que permite la entrada de aire al interior del sistema. Manteniendo encendida la bomba y variando la apertura de la válvula, se controla la presión del sistema. La presión se mide con un manómetro de vidrio en U que tiene como liquido manométrico mercurio, conectado al sistema.

Figura 2. Dispositivo experimental

Procedimiento: Antes de conectar la bomba de vacío, debe comprobar que el balón donde se hará ebullir el agua esté suficientemente lleno, que la válvula esté cerrada y que el grifo del serpentín de refrigeración esté abierto. El objetivo del serpentín es condensar el vapor de agua, para que no entre en la bomba. Una vez comprobado lo anterior, se conecta la bomba y se espera a que produzca el máximo vacío. Es posible que el agua comience espontáneamente a hervir, si la temperatura ambiente es lo suficientemente elevada, si ello no sucede, será necesario conectar el calefactor a una potencia inicialmente moderada, de forma que suministre suficiente calor para que el agua comience a hervir suavemente, sin sobrecalentamientos. Esta presión y esta temperatura proporcionan el primer punto de la curva de equilibrio. Como es

14 obvio, habrá que esperar un tiempo prudencial (hasta tener la certeza de que el sistema ha llegado al equilibrio) antes de validar los valores medidos. Este proceso deberá repetirse hasta que se alcance la máxima presión, con la bomba en funcionamiento y la válvula abierta a tope. Puede tomarse un punto a la presión atmosférica. IV. RESULTADOS Y DISCUSION Reportar los siguientes resultados y discutir con los valores de P y T de tablas de propiedades de vapor saturado Experimento

Datos experimentales Temperatura Presión °C (mmHg)

Tablas termodinámicas Temperatura Presión °C (kPa)

1 2 3 Con los datos experimentales construir un diagrama presión de vapor del agua en función de la temperatura experimental y teórica. Representar el logaritmo de la presión de vapor en función del inverso de la temperatura (ºK) y calcular el valor medio del calor latente de vaporización. A partir de los parámetros de los ajustes, determinar la temperatura de ebullición cuando la presión de vapor es de 0,150 MPa y 50 kpa. Dibujar el esquema experimental utilizado. V. BIBLIOGRAFIA 1. http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica06.htm 2. Laboratorio de termodinámica: Guiones de las prácticas del Laboratorio (2001). Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física Aplicada I. Universidad Complutense

de

Madrid

En

línea

http://www.ucm.es/centros/cont/descargas/documento2173.pdf Madrid, España.

15 GUIA DE PRÁCTICA N° 3

MEDICION DE LA ENERGÍA CINÉTICA Y TRABAJO DE FLUJO I. OBJETIVOS Al finalizar la práctica el alumno será capaz de: 

Calcular la energía cinética del flujo de agua



Medir el trabajo de flujo en una bomba centrífuga.

II. FUNDAMENTO TEORICO GRANNET (1994) menciona que la energia puede describirse como la capacidad para realizar trabajo. Al princípio puede parecer que esta definición es muy restrictiva cuando se aplica a sistemas eléctricos y magnéticos. Sin embargo en todas las instancias los efectos observados sobre un sistema pueden (en principio e idealmente) convertirse en trabajo mecánico. FAIRES (1992) menciona que, la energía cinética, es la parte de la energía mecánica de un cuerpo y corresponde al trabajo o las transformaciones que un cuerpo puede producir, debido a su movimiento, es decir, todos los cuerpos en movimiento tienen energía cinética, cuando está en reposo, no tiene energía cinética. Esta capacidad de realizar cambios, que poseen los cuerpos en movimientos, se debe fundamentalmente, a dos factores: la masa del cuerpo y su velocidad. Un cuerpo que posee una gran masa, podrá producir grandes efectos y transformaciones debido a su movimiento. En la determinación de la energía cinética, sólo se toma en cuenta la masa y la velocidad de un objeto, sin importar como se originó el movimiento; en cambio, la energía potencial depende del tipo de fuerza que se aplique a un objeto GRANNET (1994) indica que, la energía cinética es el trabajo que se necesita para que un sistema de masa (m) inicialmente en reposo, se mueva a determinada velocidad (v). El cambio está relacionado con la diferencia entre las velocidades del líquido en los puntos a lo largo del sistema. En la mayoría de las ocasiones la velocidad en el punto 1 será cero y las necesidades de energía serán las requeridas para alcanzar la velocidad del líquido deseada. La ecuación de la energía cinética al inicio y al final del proceso nos permite hallar la energía cinética con una velocidad (v), con relación a un sistema de referencia

16 El trabajo de un sistema abierto se opera sin fricción en estado estable como entrada y salida de flujo. Por estado

estable se entiende que todas las propiedades

termodinámicas del sistema permanecen invariables con el tiempo. Para calcular el trabajo total desarrollado por un sistema abierto, considere primero una masa que viaja a través del sistema, debido a la expansión que puede sufrir, así como los posibles cambios de energía cinética y potencial, la masa puede realizar un trabajo. El mismo autor menciona que el trabajo de flujo (Wf) existe solo para ocasionar que un fluido atraviese las fronteras de un sistema abierto. La Ecuación (1) se interpreta de modo que la diferencia en los términos Pv represente la cantidad de trabajo que se realiza sobre un sistema para introducir una unidad de masa dentro de él menos el trabajo realizado sobre sus alrededores a medida que ésta sale del sistema. No obstante, es necesario hacer hincapié en que cualquier fluido en cualquier sistema tiene ambas propiedades, presión y volumen especifico y que el producto (P)(v) siempre puede evaluarse. El producto Pv solo representa el flujo de trabajo en el sistema de flujo estacionario

Wf  P2 v2  P1v1 ---(1) Donde: P = presión, v= volumen especifico ESQUEMA DEL TRABAJO DE FLUJO

Figura. Trabajo de flujo en un volumen de control

FAIRES (1992) en la figura consideremos que una pequeña cantidad (V= volumen) de la sustancia está a punto de atravesar la frontera 1 y entrar al sistema. Para que se

17 introduzca en este debe efectuar trabajo sobre ella en cantidad suficiente para desplazarla contra la resistencia (a presión P = Pi) y por la sección transversal uniforme B que ofrece el sistema. La fuerza resistente constante F es pA, y el trabajo realizado contra la resistencia al hacer pasar una cantidad de fluido que abarca la longitud L, a través de la frontera, es FL = pAL = PV, siendo V = AL el volumen de fluido desplazado a través de la frontera. Una cantidad de energía igual a Wf1= piVi atraviesa, por tanto, dicha frontera, y entra al Sistema. En forma semejante, existe una cantidad de energía saliente W f2=p2V2 si una sustancia sale del sistema, por ejemplo, por la frontera 2.

Wf  W f 2  W f 1 Wf  p 2V2  p1V1 III. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 EQUIPOS Y MATERIALES 

Gabinete de fluidos



Cronometro



Recipiente de descarga para medir el volumen de líquido (longitud, ancho y altura)



Manómetro de mercurio



Bomba centrifuga

3.2 METODOS a. Energía Cinética 

El gabinete de fluidos se carga con agua (fluido en reposo v1 = 0)



Se enciende la bomba el cual transporta el fluido y se recibe en el recipiente de descarga un volumen determinado (medir el Volumen V y el tiempo t)



Realizar la operación por tripicado.



La velocidad (v2) , se calcula con el Caudal (Q) o flujo volumétrico

18 Q = V/t

(V = volumen, t = tiempo)

También el Caudal: Q= vA (v= velocidad, A = área transversal)

Ec 

1 m (v22  v12 ) 2

b. Trabajo de Flujo 

El flujo másico de entrada es igual flujo másico de salida. Considerar un volumen de fluido constante que ingresa y sale del sistema (bomba centrifuga)



La presión inicial es la atmosférica (P1)



La presión final (P2) medir en el manómetro de mercurio

Wf  P2 v2  P1v1 IV.

V.

VI.

RESULTADOS Y DISCUSION 

Calcular la ∆Ec y el trabajo de flujo



Realizar el balance de energía del sistema.

CUESTIONARIO 1.

Mencionar y explicar 5 ejemplos de trabajo de flujo en la industria alimentaria

2.

Fundamentar la energía interna, cinética y potencial en el gabinete de fluidos.

BIBLIOGRAFIA 

FAIRES V. (1998) “TERMODINAMICA” Ed. UTHEA. Octava Edición. México



GRANET, I. (1994) “TERMODINAMICA” Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S. A México

19 Figura. Gabinete de fluidos

20 GUIA DE PRÁCTICA Nº 4

MOTOR TÉRMICO I.

OBJETIVOS  Demostrar la segunda ley de la termodinámica con el funcionamiento de un motor térmico.  Graficar el ciclo de Carnot en el diagrama Presión vs volumen.  Calcular el trabajo neto del ciclo y la eficiencia térmica.

II. FUNDAMENTO TEORICO Un motor térmico es un dispositivo que realiza un proceso cíclico a lo largo del cual absorbe calor del ambiente y realiza un trabajo sobre él. Generalmente, al usar un motor térmico lo que se persigue es realizar trabajo, por lo que se define el rendimiento, como:

e

WN Qabs

Siendo: Qabs el calor absorbido en un ciclo y WN el trabajo neto intercambiado en un ciclo. Figura 1. Motor Térmico

Cuerpo caliente T1

QA

MAQ TERM

WN

QR Cuerpo frio T2

El segundo principio de la termodinámica implica que el rendimiento siempre es menor que 1, no todo el calor absorbido se puede “transformar” en trabajo. Se suele

21 representarse un motor térmico (Figura 1) como un sistema cíclico cerrado, que toma calor de un foco caliente, a temperatura T1, y cede el calor que no ha transformado en trabajo a un foco frío, a temperatura T2 (esta es una representación esquemática, porque podemos tener más focos o las temperaturas de éstos pueden no ser constantes, pero es adecuada para muchos casos). Con el esquema de la figura, Qabs=QA, y de acuerdo con el primer principio, se tiene que cumplir que:

WN  QA  QR La sustancia de trabajo que experimenta el proceso cíclico en el motor térmico puede ser en principio cualquiera, pero lo habitual es que sea un gas, porque es posible conseguir mayores cambios de volumen y por tanto mayores trabajos. Entonces, bastan dos variables de estado para especificar el estado del sistema, y el proceso puede representarse en un diagrama PV. Por tratarse de un proceso cíclico, su representación es una curva cerrada. Es fácil ver que para que el sistema realice trabajo sobre el exterior, la curva se tiene que recorrer en el sentido de las agujas del reloj (si recorremos la curva en sentido contrario, invertimos el signo de W y Q y el ciclo corresponde a una máquina térmica que no es un motor sino un frigorífico). III. MATERIALES Y METODOS 3.1

Materiales -

Jeringa de vidrio graduada con embolo (50 o 100 mL).

-

Recipiente metálico herméticamente cerrado

-

Manguera de plástico con válvula

-

2 Vasos de precipitación de 1000 mL (para Baño de agua caliente y agua fría)

3.2

-

Pesas de masa conocida (20, 50 y 100 g)

-

Soporte universal

-

Dos termómetros

-

Cocina calefactora

Descripción del sistema de medida La sustancia de trabajo es aire, que está encerrado en dos cilindros (Figura II). Uno es de vidrio (jeringa) y está cerrado por un embolo que ajusta con rozamiento despreciable. Encima del embolo hay una plataforma en la que

22 pueden colocarse pesas. El otro recipiente es metálico. Ambos están unidos por una manguera que tiene una válvula.

Como focos caliente y frío disponemos de dos baños de agua, uno de ellos con agua caliente y el otro con agua fría (temperatura ambiente). El recipiente metálico es buen conductor del calor, se sumergirá en un baño u otro en distintas etapas del ciclo. Se comprueba que al sumergirlo en el baño caliente, la plataforma asciende, debido a la dilatación del gas. En este momento el sistema está haciendo trabajo. Este trabajo puede aprovecharse, por ejemplo, para levantar un peso. La idea del motor térmico consiste en aprovechar este trabajo indefinidamente. Para ello, tenemos que volver al sistema al estado inicial, de modo que podamos repetir cuantas veces queramos este ascenso de la plataforma. 3.3

Método experimental a. Tareas previas: 1. Preparamos el baño de agua caliente aproximadamente de 80 a 85 °C y frío (con agua del grifo). Poner un termómetro en cada baño.

2. Medimos el diámetro del embolo; masa de la plataforma + embolo y masa de la pesa. 3. Sujetar la jeringa de vidrio en posición vertical en el soporte universal, y conectar la jeringa con el recipiente metálico con la manguera de plástico.

23 4. Verificar que todo el sistema esté bien conectado y que no haya fuga de aire, tal como se muestra en la figura mostrada probando la válvula (para que el aire puede entrar o salir de la jeringa) Figura 3. Esquema adaptado del experimento

c.

Realización del ciclo  Anotar las temperaturas de los baños caliente (80-85°C) y frío (15-18°C) y la presión atmosférica en el laboratorio.  Se coloca la pesa (50 g) en la plataforma del embolo y se abre la válvula ubicar el embolo a 8 ml de altura.  Se sumerge el cilindro metálico en la fuente fría (medir la temperatura). Anotar la altura del embolo (estado A) y poner en marcha el cronometro 5 s).  Proceso (A-B): Sumergir el cilindro metálico en el baño caliente (5 s) y abrir la válvula, anotar hasta que altura sube el émbolo medir el (ESTADO B).  Proceso (B-C): Se retira la pesa y se espera (5 s) y se anota la altura del émbolo (ESTADO C).  Proceso (C-D): Colocar el cilindro en la fuente fría durante 5 s anotar la altura, el embolo desciende (ESTADO D).  Proceso (D-A): colocar la pesa en la plataforma y anotar a qué altura baja el émbolo (5 s) y la altura final debe ser el estado A, se completa el ciclo (ESTADO A).

24 -

Realizar tres ciclos consecutivamente, anotando cada altura y los tiempos correspondientes. Al final, anotar de nuevo las temperaturas de los baños caliente y frío.

-

Nota: Los ciclos deben realizarse rápidamente, sin interrupciones y de la manera más regular posible.

IV. RESULTADOS Reportar los siguientes datos: Puntos A B C D

Volumen (mL)

Tiempo (s)

Graficar el ciclo del motor térmico en los diagramas PV y TS Calcular: la presión en cada uno de los estados, eficiencia ideal. Eficiencia real, trabajo neto, calor añadido, calor rechazado y presión media efectiva

Calor (Q) kJ

Sistema Eficiencia Trabajo (e) neto (W N) % kJ

V. BIBLIOGRAFIA Ingeniería Industrial - Prácticas de Física II: Motor Térmico - Universidad Carlos III De Madrid- España Pág. 4

25

GUIA DE PRÁCTICA Nº 5

EBULLICION DEL AGUA A BAJA PRESION I. OBJETIVOS Demostrar que la temperatura de ebullición del agua disminuye a baja presión II. FUNDAMENTO TEORICO La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado. El punto de ebullición se define como la temperatura a la cual la presión de vapor saturado de un líquido, es igual a la presión atmosférica de su entorno. Para el agua, la presión de vapor alcanza a la presión atmosférica al nivel del mar a la presión de 760 mmHg a 100°C Una sustancia al transformarse en vapor aumenta de volumen, es por eso que un incremento de presión ocasiona un aumento en la temperatura de ebullición, puesto que al elevarse la presión, la ebullición se dificulta. Por otro lado una disminución en la presión, produce un descenso en la temperatura de ebullición.

26 Para entender este experimento, nos interesa la línea azul, que va desde el punto triple hasta el punto crítico. A la izquierda de ella, el agua se encuentra en estado líquido. A la derecha, en estado gaseoso, o sea, que ya entró en ebullición y se convirtió totalmente en vapor. Pero sobre dicha curva, el agua puede estar en estado líquido y gaseoso a la vez, es decir, es el momento en que “hierve” El eje cartesiano vertical, corresponde a la presión, y el horizontal a la temperatura. Si estamos buscando el punto de ebullición del agua, deberá de estar en alguno de los infinitos puntos que forman la línea azul. De modo que, si disminuimos la presión, verás que la temperatura también disminuye. Eso es justamente lo que sucede en estos experimentos. Al disminuir la presión, la temperatura de ebullición del agua también disminuye. Si tuviéramos una bomba de vacío, incluso podríamos hacer que el agua entre en ebullición a la temperatura ambiente, sin tener que calentarla en absoluto. No debe confundirse la ebullición, que ocurre en toda la masa del líquido y a una temperatura establecida, con la vaporización, que ocurre sólo sobre la superficie del mismo, y a cualquier temperatura. Cuando tenemos un recipiente con un líquido en equilibrio con su vapor (agua en ebullición) el vapor ocupara todo el espacio libre, al enfriar y condensar el vapor, las moléculas que estaban libres en la fase gaseosa quedaran atrapadas en la fase liquida generando un vacío III. MATERIALES Y METODOS 3.1 Materiales -

01 Trompa de vacío

-

01 Jeringa de 60 mL con tapa

-

02 Vasos de precipitación 150 mL

-

01 Manómetro de agua (colorear la sustancia)

-

01 Balón de destilación de vidrio de 500 mL

-

01 kitasato

-

02 Soporte universal

-

Mangueras de jebe

27 -

Tapones de jebe para el balón y kitasato

-

02 Termómetros

-

Mechero de Bunsen

-

02 Rejilla de asbesto

-

Cocina eléctrica

3.2 Métodos Primer Experimento  Ebullir 50 mL de agua en un vaso de precipitación.  Una vez llegado a ebullición, retirar el vaso e introducir la jeringa absorber 15 mL y tapar inmediatamente la jeringa.  Desplazar el embolo de la jeringa hacia la parte superior y observar que el agua comienza a ebullir nuevamente. Anotar la temperatura de ebullición Segundo Experimento  Ebullir 50 mL de agua en un vaso de precipitación  Instalar la trompa de vacío en el soporte universal y conectar la manguera al grifo de agua y al matraz kitasato.  Agregar el agua en ebullición al matraz y tapar inmediatamente (el tapón de jebe debe tener un termómetro).  Abrir el grifo de agua y hacer circular agua a presión y observar que nuevamente comienza a ebullir (debido a que la trompa de vacío quita el aire que hay al interior de matraz). Anotar la temperatura de ebullición. Tercer Experimento Parte A 1. Ebullir 50 mL de agua en el matraz. 2. Retirar el matraz del equipo, esperar un tiempo para que este se llene de vapor de agua.

3. Tapar el matraz e invertirlo y llevar al grifo de agua y verter agua. Observar que comienza a ebullir a pesar que no está en contacto con la fuente calefactora. Anotar la temperatura. Parte B 1. Armar el sistema que consta de: soporte universal, matraz kitasato y manómetro de agua.

28 2. Llenar el matraz con agua y llevar a ebullición, retirar la fuente caliente y tapar el matraz, dejándolo enfriar. (el tapón debe tener un termómetro, la otra salida del matraz conectar al manómetro de agua). Cada 5 segundos anotar la temperatura y la variación de altura en el manómetro), 3. Se repite la prueba hasta el paso 2 y en lugar de esperar que se enfrié al ambiente hacerlo con chorros de agua fría y anotar la temperatura y la variación de altura en el manómetro). IV. RESULTADOS Y DISCUSION 4.1 Primer experimento. Reportar la temperatura de ebullición, medir la distancia de desplazamiento del embolo, Utilizar tablas de vapor saturado y reportar la presión. 4.2 Segundo experimento Reportar la temperatura de ebullición, medir el tiempo que requiere el agua para ebullir, Utilizar tablas de vapor saturado y reportar la presión. 4.3 Tercer experimento Tiempo (s) 0 5 10 15

Temperatura (°C)

Variación altura (mm)

de

Explicar el fenómeno termodinámico que ocurre V. BIBLIOGRAFIA http://www.youtube.com/watch?v=_Cva3oVCq3Q www.youtube.com/watch?v=h0fj-yJCRYI

29

GUÍA DE PRÁCTICA N° 6 PRESION DE VACÍO EN EL ESPACIO DE CABEZA FORMADO EN EL ENFRIAMIENTO DE UN PRODUCTO LÍQUIDO I.

OBJETIVOS  Medir la presión de vacío del espacio de cabeza formado en el enfriamiento del néctar de fruta.  Realizar el balance de energía durante el enfriamiento del néctar de fruta.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO Suarez (2005) menciona que la pasteurización es un procedimiento muy antiguo y utilizado en todo el mundo, consiste en el calentamiento del producto entre 62 a 65 °C por un periodo de 30 min, con el fin de eliminar microorganismos patógenos que producen enfermedades al ser humano. Según Coronado y Hilario (2001) mencionan que la pasteurización del néctar de frutas se realiza con la finalidad de reducir la carga microbiana y asegurar la inocuidad del producto. El pasteurizado puede realizarse calentando la mezcla a 85°C durante 5 a 10 min, a 97°C durante 30 segundos y a 60°C durante 30 min y luego enfriándolas rápidamente. Para el llenado o envasado se utilizan envases de vidrio o de plástico. El envasado se realiza cuando el néctar está a 85°C como mínimo, se cierra de inmediato y luego se enfría en agua a 5°C durante 10 minutos y se invierte la botella para formar el vacío y lograr un cerrado hermético. El producto debe enfriarse rápidamente para reducir las pérdidas de aroma, sabor y consistencia. Se puede realizar dejando que las botellas se enfríen a temperatura ambiente, en agua fría o en refrigeración. La formación del espacio vacío en el envasado Según Yáñez M. (2007), en la mayoría de envasados alimenticios se recurre a la eliminación del aire interior del envase después del llenado. Una manera eficaz de eliminación de este aire es generar un vacío en el espacio libre (espacio de cabeza del envase). El volumen del espacio de cabeza generalmente se supone que no debe exceder el 10% del total de la capacidad del envase. El 90% debe ser el llenado estándar establecido por la FDA. Este volumen afecta el proceso térmico. Si es pequeña la velocidad de calentamiento

30 decrece y el tiempo requerido para destruir a un mínimo determinado de microorganismos aumenta. Si ese volumen de espacio de cabeza es muy grande el envase se ve vacío. El vacío (condición de presión) en el espacio de cabeza es un término usado para denotar la presión interna de un recipiente hermético, es una medida del grado o magnitud en que el aire se ha eliminado del recipiente. El espacio de cabeza definido técnicamente es el volumen no ocupado en un envase hermético. Es la parte más importante del sistema (contenido-recipiente)

Figura 1. Espacio vacío o espacio libre en un envase

•

Vacío = 0: La presión en el espacio de cabeza = presión atmosférica.

•

Vacío = 29,92 (in. Hg) todo el aire se ha eliminado del recipiente (760 mm. Hg).

La presión atmosférica decrece a medida que aumenta la altitud sobre el nivel del mar. El vacío en un producto envasado puede variar mucho si se procesa a nivel del mar y se comercializa en lugares muy altos o viceversa. La

presión interna es un criterio muy importante durante la esterilización,

especialmente crítica en los envases de vidrio sellados: Presiones excesivas (poco vacío) aflojan el cerrado Existen

normas

oficiales

para

cada

producto

alimenticio

envasado

especificaciones que establecen límites a estas variables.

1 mmHg  0.3937 in Hg Tabla N° 1 Vacío requerido para algunos productos Tipo de producto Productos de frutas Productos de hortalizas Carne y pescados enlatados Productos envasados Al alto vacío

Vacío requerido (in Hg) 8 - 12 12 - 15 18 - 20 22

con

31

Existen algunas recomendaciones para el espacio libre necesario en función del envasado: una pulgada para alimentos de baja acidez como verduras y carnes; 0,5 pulgadas para alimentos muy ácidos como tomates y frutas y 0,25 pulgadas para mermeladas, jaleas, encurtidos y condimentos. Si la presión atmosférica (Patm) exterior es de 29.92 (in Hg) y la del interior de la lata es de 17 (in Hg) el vacío del interior de la lata será de 29.92 -17= 12.92 in Hg valor indicado en la caratula del vacuometro La presión de vacío es la presión relativa que ejerce un fluido (líquido o gas), su valor depende de la presión externa. La presión manométrica puede tener un valor mayor o menor que la presión atmosférica. Un manómetro que mide presiones inferiores a la atmosférica se llama manómetro de vacío o vacuómetro. Las presiones por debajo de la atmosférica reciben el nombre de presiones de vacío y se miden con medidores de vacío (o vacuómetros) que indican la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta. Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son cantidades positivas y se relacionan entre sí por medio de: , (Para presiones superiores a la patm) , (Para presiones inferiores a la patm) Dónde: 

= Presión manométrica



= Presión de vacío



= Presión absoluta



= Presión atmosférica

III. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Materia prima e insumos • Fruta (piña) • Agua • Azúcar • Carboximetil celulosa (CMC) • Sorbato de potasio • Ácido cítrico 3.2 Equipos • Vacuómetro o manómetro • Refractómetro 0 – 32°Brix

32 • Balanza semi-analitica • 02 Termómetro • Marmitas • Pulpeadora • Potenciómetro o cinta indicadora de pH 3.3 Materiales • Cuchillo • Colador • Vaso de precipitación • Manguera de goma • Mariposa (regulador de entrada y salida) para la manguera de goma • Jarra medidora • Tinas de plástico. • Botellas de vidrio con tapa. 3.2. METODOS: 3.2.1 Descripción del proceso de elaboración de néctar de piña a. Selección y clasificación: Se utilizara piña criolla (Ananas comosus) de la variedad Hawaiana en estado maduro, frutos sanos

sin magulladuras y

cuerpos extraños b. Lavado: Se realizara por inmersión en agua con la finalidad de eliminar partículas extrañas adheridas a la superficie. Una vez lavada la fruta se desinfecta para eliminar microorganismos, para lo cual se sumerge la fruta en una solución de hipoclorito de sodio 5 ppm por 3 minutos. c. Pelado y trozado: la piña se pela manualmente eliminando la cáscara, luego es cortado en rodajas eliminando el corazón y se corta en trozos pequeños. d. Pulpeado y refinado: el pulpeado se realizara en una licuadora doméstica. La pulpa obtenida es refinado primero con un colador y posteriormente con una tela de tocuyo para otorgarle una apariencia más homogénea. e. Estandarizado: se realizaran los siguientes pasos: Dilución de la pulpa: el ITDG (1998), recomienda una dilución de (pulpa: agua) para néctar de piña de (1: 2,5 a 3,5). Regulación del pH: la pulpa diluida se regula a un pH de 3,8 con la adición de ácido cítrico. Una acidez alta favorece la destrucción de microorganismos.

33 Regulación del dulzor: Los sólidos solubles se regula a 13,0 ºBrix con la adición de azúcar blanca refinada Adición

de

estabilizante

y

conservante:

se

añade

0,05%

de

carboximetilcelulosa y 0,05% de sorbato de potasio (ITDG; 1998). f. Homogenizado: esta operación permite la incorporación de los ingredientes, consiste en remover la pulpa hasta lograr la disolución y mezcla de los ingredientes añadidos. Luego esta mezcla homogénea se calienta hasta antes de llegar a la temperatura de pasteurización. g. Pasteurizado: se realizara a 85ºC de 1 a 3 minutos con la finalidad de reducir la carga microbiana y asegurar la inocuidad del producto. h. Envasado y cerrado: el néctar pasteurizado se envasa en botellas de vidrio a 85°C como mínimo y se cierra inmediatamente con las tapas. i. Enfriado: El producto envasado se enfría con agua a 5°C o en refrigeración para reducir las pérdidas de aromas, sabor y consistencia y la formación del espacio de cabeza. j. Almacenamiento: el producto se almacena en un lugar fresco, limpio y seco. 3.2.2 Medición de la presión de vacío: a. Acondicionamiento de la tapa de plástico • En la parte central de la tapa de plástico se hace un agujero y se coloca un tubo de vidrio pequeño, al cual se coloca una manguera de goma con una mariposa como regulador. • Asegurar el tubo herméticamente para evitar fugas (entre la tapa y el tubo de vidrio). • La manguera de goma se conecta al manómetro, durante el enfriamiento, el regulador debe estar cerrado.

Figura 2. Enfriamiento del Néctar de fruta, con tapas acondicionadas

b. Presión de vacío:

34 El néctar pasteurizado envasado se somete a enfriamiento por inmersión en agua fría 5°C durante 10 minutos, se producirá un shock térmico. Se retira los envases del agua fría y se observa que se forma un espacio libre o espacio de cabeza (el cual será medido). Para medir la presión de vacío se conecta la manguera de goma al manómetro, se abre el regulador y se registra la altura de desplazamiento del líquido manométrico.

Figura 3. Manómetro conectado al envase de vidrio

Cuadro 1. Controles para la medición de la presión de vacío Néctar de piña

Espacio libre Altura de desplazamiento del o espacio de líquido manométrico cabeza (mm)

Presión de vacío

1. 2. 3.

3.2.3 Balance de energía:  Se anota la temperatura inicial del néctar.  Anotar la temperatura del agua helada que está en la tina, luego sumergir el envase con néctar.  Esperar un tiempo hasta que llegue a la temperatura de equilibrio, el cual debe ser anotado para realizar el balance de energía.

35 Cuadro 2. Controles para realizar el balance de energía Nectar de piña

𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂

𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒏𝒆𝒄𝒕𝒂𝒓

𝑻° 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂 (℃)

𝑻° 𝒏é𝒄𝒕𝒂𝒓 (℃)

𝑻° 𝒆𝒒𝒖𝒊𝒍𝒊𝒃𝒓𝒊𝒐 (℃)

1 2 3

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Discutir los resultados obtenidos en la práctica con fundamentos bibliográficos. Filmar el desarrollo de la práctica V. CUESTIONARIO 1. Explicar y mencionar los fenómenos termodinámicos que se presentan cuando se genera el vacío después del enfriamiento. 2. Mencionar y analizar 2 ejemplos del uso de la presión al vacío en la industria de alimentos. 3. Que significa espacio de cabeza. VI. BIBLIOGRAFIA Coronado M. y Roaldo Hilario. 2001. Procesamiento de alimentos para pequeñas empresas agroindustriales. Elaboración de néctar. CIED, EDAG y CEPCO. Lima-Perú 49 p. ITDG 1998. Elaboración de néctares. Boletin. Serie de procesamiento de alimentos N°8. Lima-Perú. Suarez Moreno Diana. 2003. Guía de Procesos para la elaboración de néctares, mermeladas, uvas, pasas y vinos. Reimpresión. Convenio Andrés Bello. Bogotá, Colombia

36 GUIA DE PRÁCTICA N° 7

DESTILACION POR ARRASTRE DE VAPOR PARA LA EXTRACCION DE ACEITE ESENCIAL I. OBJETIVOS  Utilizar el proceso de vapor de agua para la separación de mezclas liquidas  Extraer una esencia pura utilizando la destilación por arrastre de vapor II. FUNDAMENTO TEÓRICO La destilación por arrastre con vapor es una técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles que se encuentran en la mezcla, como resinas o sales inorgánicas, u otros compuestos orgánicos no arrastrables. Los vapores saturados de los líquidos inmiscibles sigue la Ley de Dalton sobre las presiones parciales, que dice que: cuando dos o más gases o vapores, que no reaccionan entre sí, se mezclan a temperatura constante, cada gas ejerce la misma presión que si estuviera solo y la suma de las presiones de cada uno, es igual a la presión total del sistema. Su expresión matemática es la siguiente: PT = P1 + P2 + --- Pn Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual la suma de las presiones de vapor es igual a la atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil. Si uno de los líquidos es agua (destilación por arrastre con vapor de agua) y si se trabaja a la presión atmosférica, se podrá separar un componente de mayor punto de ebullición que el agua a una temperatura inferior a 100ºC. Esto es muy importante cuando el compuesto se descompone a su temperatura de ebullición o cerca de ella. En general, esta técnica se utiliza cuando los compuestos cumplen con las condiciones de ser volátiles, inmiscibles en agua, tener presión de vapor baja y punto de ebullición alto. La destilación por arrastre de vapor es una técnica simple utilizada en la extracción de aceites naturales. En la destilación por arrastre de vapor circula una corriente de vapor a través de la mezcla de reacción y los componentes que son solubles en el vapor son separados. Cuando dos líquidos son inmiscibles entre sí, esto es, insoluble el uno en el otro, las moléculas del líquido no están homogéneamente dispersas entre las

37 moléculas del otro líquido, ni se ejercen atracción entre ellas. Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura cuando la presión de vapor se iguala a la presión atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil. Si uno de los líquidos es agua (destilación por arrastre de vapor) y se trabaja a presión atmosférica, se podrá separar un componente de mayor punto de ebullición a una temperatura inferior a 100°C.

El punto de ebullición de la mezcla permanecerá

constante hasta que uno de los componentes ha desaparecido completamente (ya que la presión de vapor total es independiente de la cantidad relativa de los dos líquidos). El aceite esencial que se obtiene viene arrastrado por el vapor de agua, que al condensarse forma una mezcla de (aceite esencial + agua). La destilación por arrastre con vapor se emplea con frecuencia para separar aceites esenciales de tejidos vegetales. Los aceites esenciales son mezclas complejas de hidrocarburos, terpenos, alcoholes, compuestos carbonílicos, aldehídos aromáticos y fenoles y se encuentran en hojas, cáscaras o semillas de algunas plantas. En el vegetal, los aceites esenciales están almacenados en glándulas, conductos, sacos, o simplemente reservorios dentro del vegetal, por lo que es conveniente desmenuzar el material para exponer esos reservorios a la acción del vapor de agua. Los aceites esenciales son productos naturales aplicados en diferentes industrias, como son la farmacéutica, alimenticia, en perfumería, entre otros usos. III. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Materia prima 200 g Jengibre seco (kion) 200 g de Orégano seco 3.2 Equipos y materiales 

02 kitasato de 1 L,



01 condensador



03 soportes universales



01 Erlenmeyer pequeño de 250 ml, 01 pera de decantación



Cocina calefactora



Tubo en U de vidrio, tapones de jebe



Termómetro

38 

Mangueras de jebe.



Agua destilada 1 L



Acetato de etilo

3.3 Procedimiento Instalar el equipo tal como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Instalación del equipo Colocar el agua destilada en el matraz no. 1 (Kitazato): generador de vapor. En el matraz no. 2 coloque la muestra cortada en trozos pequeños. Al tapar este matraz, cuide que la conexión de vidrio no se obstruya con los trozos de la muestra pues de ser así, no habrá paso de la corriente de vapor. Caliente con la cocina calefactora matraz no. 1 hasta ebullición, con el fin de generar el vapor que pasará al matraz no. 2, extrayéndose de esta manera el aceite esencial, el cual es inmediatamente arrastrado por el vapor de agua en un proceso de codestilación. Suspenda el calentamiento cuando el volumen del destilado sea de 100 o 150 mL aproximadamente. De este destilado extraiga totalmente el aceite esencial colocando en el embudo de separación el destilado y separando la mayor parte de la fracción acuosa. Al aceite sobrenadante (unas cuantas gotas), agregue 5 mL de acetato de etilo para facilitar su separación. La fase acuosa se desecha y el extracto orgánico se colecta en un matraz Erlenmeyer o un vaso de precipitados agregue entonces la cantidad necesaria de sulfato de sodio anhidro para eliminar el agua remanente. Filtre o decante el extracto seco y colóquelo en un vaso de precipitado.

39 IV. RESULTADOS Y DISCUSION Cuadro 1. Controles que realizara durante la destilación por arrastre de vapor Ensayo

Peso Agua en Peso de balón + Volumén de (g) el balón muestra extracción Aceite (mL) Después de la Agua + aceite esencial (mL) extracción esencial (mL)

Kión Orégano  Medir la temperatura de ebullición durante el proceso de extracción, tiempo y volumen de extracción.  Identificar el proceso de vapor  En información bibliográfica, tesis, artículos de investigación y otras informaciones buscar el componente mayoritario de aceite esencial que predomina en la muestra, cuál es su temperatura de ebullición, volatilidad y discutir con la temperatura de ebullición del experimento y porque se produce la extracción. V. CUESTIONARIO 1. Interpretar la Ley de Dalton en la extracción del aceite esencial por arrastre de vapor. 2. Indicar que métodos de separación del aceite esencial se tiene. VI. BIBLIOGRAFÍA 

Monroy I. y Blanco L., V. Manual de Practicas de laboratorio de química experimental, Practica N° 5. Destilación por Arrastre de Vapor. Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey Campus Puebla Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas



Rodríguez-Álvarez, M., Alcaráz-Meléndez, L., Real-Cosío, S. 2012. Procedimientos para la extracción de aceites esenciales en plantas aromáticas. Edit. Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C. La Paz, Baja California Sur, México. 38 p.



Vásquez R., O., Alva, A. y Marreros V., J. 2001. Extracción y caracterización del aceite esencial de Jengibre (Zingiber officinale). Artículo de Investigación. Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias de la Universidad Nacional de la Amazonía Peruana, Iquitos, Perú.

40

GUIA DE PRACTICA N° 8 MEZCLAS FRIGORIFICAS I.

Objetivo Estudiar los métodos de producción de frio basados en principios químicos (solución) y principios físicos (fusión).

II.

Fundamento teórico Al mezclar el hielo en trozos a 0°C con alguna sustancia soluble en agua, tiene lugar una disminución de la temperatura que depende de la cantidad de la sustancia añadida. Para un valor determinado de dicha sustancia se alcanzara una disminución máxima. Cada sistema (agua y sal soluble) tendrá una proporción característica con la que se lograra el máximo descenso de temperatura. Al añadir sal a temperatura ambiente al hielo troceado, el calor pasa de la sal al hielo y este empieza a fundirse. En las caras de los trozos de hielo que están en contacto con la sal ésta se disuelve en el agua. Cada vez se funde más hielo porque la disolución concentrada tiende a diluirse y el hielo al fundirse absorbe calor de la disolución en una proporción equivalente al calor latente de fusión del hielo (80 calorías por gramo fundido). Al perder esta energía la disolución saturada se enfría y su temperatura va descendiendo por debajo de 0°C. Si se mezcla cloruro de sodio con hielo a 0ºC en un recipiente, un poco de sal se solubilizará al fundirse un poco de hielo. Como la fusión del hielo es un fenómeno endotérmico, la continuación de este proceso bajará la temperatura. Si se añadió suficiente NaCl, la temperatura de la mezcla alcanzará el equilibrio a: Tf = -21.1 ºC. Estrictamente hablando, se trata del denominado punto eutéctico, que es la temperatura a la cual coexisten en equilibrio, la sal sólida, el hielo y la solución saturada. Finalmente se alcanza el equilibrio entre el hielo, la sustancia sólida en exceso y la disolución saturada, que en unas condiciones de presión dadas y para cada sal, queda perfectamente definido. Cada mezcla frigorífica alcanza una temperatura mínima determinada. Las mezclas así obtenidas producen descensos notables de la temperatura y se denomina mezclas frigoríficas.

41 III. Materiales y métodos a.

Materiales - Sal - Agua - Hielo en escamas - Beaker de 600 mL - Tubo de ensayo - Termómetros -10 a 100°C - Termocupla - Balanza

b.

Procedimiento Para esta experiencia se mezclara capas alternativas de hielo en trozos y sal en un vaso de 600 mL en la proporción de (2 partes de hielo por una de sal) y (4 partes de hielo por una de sal). Se colocara una termocupla y se registrara el descenso de la temperatura a intervalos de 10 segundos. Se colocara luego un tubo de ensayo conteniendo agua en el centro del vaso y se observara si existe algún cambio de estado

IV. Resultados y discusión Anotar y graficar el comportamiento de la temperatura en el tubo de ensayo y en la mezcla frigorífica. Tiempo (s) 0 10 20 . . .

T° °C Tubo de ensayo

T° mezcla frigorífica

Realizar el balance de energía Discutir sus resultados V. Bibliografía - Sánchez Pineda De las Infantas, M. 2001. Ingeniería del frio; Teoría y práctica. AMV Ediciones y Mundi-Prensa Libros S.A. Madrid, España

42

- Betalleluz P. y Martínez T. 2003. Guía de prácticas de laboratorio Refrigeración y congelación

de

alimentos.

Separata.

Facultad

de

Industrias

Alimentarias.

Departamento de ciencia e ingeniería de alimentos y productos agropecuarios. Universidad Nacional agraria la Molina. Lima-Perú.

43

GUÍA DE PRÁCTICA N° 9 MEZCLA FRIGORIFICA (HIELO + SAL) EN LA CONGELACION DE CHUPETES DE HIELO CON PULPA DE FRUTA I. Objetivos  Utilizar una mezcla frigorífica de (Sal + hielo) como medio de congelamiento  Elaborar chupetes de hielo con pulpa de fruta II. Fundamento teórico La mezcla frigorífica de hielo y sal permite disminuir el punto de fusión. Si se mezcla cloruro de sodio con hielo a 0ºC en un recipiente, un poco de sal se solubilizará al fundirse un poco de hielo. Como la fusión del hielo es un fenómeno endotérmico, la continuación de este proceso bajará la temperatura. Si se añadió suficiente NaCl, la temperatura de la mezcla alcanzará el equilibrio a: Tf = -21,1 ºC. Estrictamente hablando, se trata del denominado punto eutéctico, que es la temperatura a la cual coexisten en equilibrio, la sal sólida, el hielo y la solución saturada. En experiencias realizadas se ha mezclado en capas alternativas hielo machacado y sal en un vaso de 600 ml en la proporción de cuatro partes de hielo por una de sal. Se lograron temperatura de -18 ºC. Al añadir sal a temperatura ambiente al hielo troceado, el calor pasa de la sal al hielo y éste empieza a fundirse. En las caras de los trozos de hielo que están en contacto con la sal ésta se disuelve en el agua. Cada vez se funde más hielo porque la disolución concentrada tiende a diluirse, el hielo al fundirse absorbe calor de la disolución en una proporción equivalente al calor latente de fusión del hielo (80 calorías por gramo fundido), al perder esta energía la disolución saturada se enfría y su temperatura va descendiendo por debajo de 0 ºC y se alcanza el equilibrio entre el hielo, la sustancia sólida en exceso y la disolución saturada, que en unas condiciones de presión dadas y para cada sal, queda perfectamente definido. Cada mezcla frigorífica alcanza una temperatura mínima determinada y producen descensos notables de la temperatura y se denominan mezclas frigoríficas. Las sales utilizadas deben ser muy solubles en agua a bajas temperaturas. Mezclas frigoríficas hay muchas. El fundamento de las mismas es sencillo: cuando se mezclan determinadas sustancias puede haber un efecto térmico, es decir, un desprendimiento de energía (ácido sulfúrico y agua) o una absorción de energía (nitrato

44 amónico y agua). Lo que tenemos que hacer, es aprovechar las mezclas que absorben energía para producir frío e intentar favorecer el efecto lo más posible. También se utiliza mucho, directamente, el nitrógeno líquido para enfriar a muy bajas temperaturas. Es relativamente barato y no requiere mucho material para manejarlo. Para la elaboración de chupetes de hielo se utilizan maquinas congeladoras que producen el frio con un refrigerante y la cámara donde se colocan los moldes para el congelado contiene salmuera. Algunos ensayos con mezclas frigoríficas: Mezcla Frigorífica

Temperatura °C

2 partes de hielo + 1 parte de sal común

- 20,5°C

5 partes de hielo + 2 partes de sal común+ 1 parte de cloruro amónico

- 24,4°C

24 partes de hielo + 10 partes de sal común+ 5 partes de cloruro - 27,8°C amónico + 5 partes de nitrato potásico 3 partes de hielo + 4 partes cloruro de calcio

de 0°C a -40°C

III. Materiales y métodos 3.1 Materiales a. Mezcla frigorífica y salmuera - Cloruro de sodio (sal común) 2 kg - Hielo 2 kg (en escamas o molido) - 2 recipientes metálicos de capacidad 8 L y 4 L b. Materiales e insumos para elaborar el chupete de pulpa de fruta - Pulpa de fruta - Carboximetilcelulosa CMC (0,2 a 0,25%) - Azúcar (25%) 1 kg - Agua 3.2 Instrumentos y equipos - 2 Termómetros o termocuplas para temperaturas por debajo de 0°C - Equipo de agitación - Balanza 3.3. Procedimiento:

45 a. Preparar salmuera de (Cloruro de sodio + agua) 30% p/v b. Preparar la mezcla frigorífica (4 partes de hielo + 2 partes de sal)

Elaboración del chupete de pulpa de fruta: Los chupetes de fruta contienen pulpa de fruta y no utilizan componente lácteo. En cambio, los chupetes de agua contienen saborizantes y colorantes en lugar de fruta. Preparar la pulpa de fruta, se licua la fruta pelada con poca agua y se filtra el jugo, el CMC se mezcla con una parte de azúcar, luego se mezcla y se homogeniza, en el licuado se termina de mezclar los insumos, se envasa la mezcla en bolsas de plástico y se coloca en congelación -25°C. La mezcla liquida envasada en bolsitas de plastico se coloca en el recipiente que contiene la salmuera, el cual es colocado en otro recipiente mas grande que contiene la mezcla frigorifica de (hielo y sal). 3.4 Controles que se realizara durante el experimento Cuadro 1. Controles Tiempo

Temperatura en la salmuera °C

Temperatura en la mezcla frigorífica °C

0 0.5 1 1.5

IV. RESULTADOS Y DISCUCIÓN Discutir la temperatura alcanzada en el experimento con revisión de bibliográfica Evaluar el tipo de congelación si es rápida o lenta (tamaño de cristales formado) Filmar el desarrollo de la práctica. V. CUESTIONARIO 1. Cuáles son los parámetros de elaboración de chupetes VI. BIBLIOGRAFÍA Soluciones prácticas ITDG. 2002. Elaboración helados de fruta y chupetes. Serie de Procesamiento de alimentos Nº 9. Lima-Perú.

46

GUIA DE PRACTICA N° 10 GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA UTILIZANDO VAPOR DE AGUA I.

II.

Objetivos -

Transformar la energía que proviene del vapor de agua en energía eléctrica

-

Utilizar el vapor de agua como medio calefactor en un intercambiador de calor.

Fundamento teórico La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de proceso a presión constante, en la cual el fluido, originalmente se encuentra en estado líquido, se calienta y cambia de fase. La caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Gracias a las propiedades sobresalientes de transferencia de calor, el vapor es ampliamente usado como un medio de energía. Una central termoeléctrica con vapor es una instalación industrial en la que la energía química del combustible se transforma en energía calorífica para producir vapor, este se conduce a la turbina donde su energía cinética se convierte en energía mecánica, la que se transmite al generador, para producir energía eléctrica. Para que se cumpla este proceso es necesario el uso de una caldera, la cual es la que dará origen al vapor de agua, y así este tendrá la potencia para mover las turbinas. El vapor de agua producido en una caldera de utiliza en intercambiadores de calor, pasteurizadores,

marmitas,

esterilizadores,

para

calentar

otros

fluidos,

generar electricidad a través del ciclo de Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas. Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.

47 III. Materiales y métodos 3.1 Materiales - Caldera de laboratorio - Serpentín de cobre - Ventilador instalado en un soporte, rotor y foco - Balanza - Multitester - Vaso de precipitación de 1L - 2 Termómetros 0-100°C - Mangueras de jebe - Mechero de Bunsen - Gas propano 3.2 Procedimiento 3.2.1 Transformación de energía térmica en eléctrica - Instalar el caldero y añadir agua blanda, medir el volumen de agua y señalar el nivel. - Instalar la turbina conectada a un foco - Pesar el balón de gas al inicio de la operación - Cerrar las válvulas y calentar con el mechero hasta una presión de 0,9 bar - Abrir las válvulas y hacer girar la turbina y se observara que se enciende el foco - Con el multitester medir el voltaje generado. 3.2.2 Medio de calefacción - Calentar el caldero con agua hasta 0,9 bar, cerrar las válvulas y conectar los tubos de salida con una manguera al serpentin de cobre que está ubicado en el vaso de precipitación. - Añadir agua fría en el vaso - Abrir las válvulas de salida de vapor y medir las temperaturas IV. Resultados y discusión a. Calcular las propiedades termodinámicas del agua y vapor de la caldera T

P

v

u

h

s

48

b. Calcular: Qc, Q1-2, Qp c. Medir las temperaturas de ingreso y salida en el intercambiador d. Realizar el balance de energía en la caldera y en el intercambiador de calor Discutir sus resultados V. Bibliografía http://html.rincondelvago.com/calderas.html http://www.youtube.com/watch?v=wpP2ktTA4es

49

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.

Acosta L. E. 2019. Termodinámica. Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias. Universidad Nacional del Centro del Perú. Huancayo-Perú.

2.

Acosta López. E. 2018. Manual de prácticas de laboratorio de Termodinámica. Facultad de Ing. en Industrias Alimentarias. Universidad Nacional del Centro del Perú. Huancayo-Perú

3.

Álvarez Morales Alejandro. 2004. Termodinámica del aire acondicionado y refrigeración. Tesis de Licenciatura en Ingeniería mecánica. Universidad Autónoma Metropolitana. Iztapalapa, México.

4.

Betalleluz P. y Martínez T. 2003. Guía de prácticas de laboratorio Refrigeración y congelación

de

alimentos.

Separata.

Facultad

de

Industrias

Alimentarias.

Departamento de ciencia e ingeniería de alimentos y productos agropecuarios. Universidad Nacional agraria la Molina. Lima-Perú 5.

Clair, J. 1990. Fundamentos de la ingeniería de alimentos, Ed. Continental S.A. de C.V., 1ra edic. México.

6.

Cisneros P. R., Pacheco G., F y Sánchez M., F. 2013. Balance de materia y energía en una caldera. Informe. Procesos industriales. Facultad Ingeniería Industrial, Universidad Católica San Pablo, Arequipa-Perú

7.

Cruz M., F. (2010) Texto Guía, Termodinámica Técnica, Facultad Nacional de Ingeniería Mecánica-Electromecánica, Universidad Técnica de Oruro, Bolivia.

8.

Dossat, J. 1993. Principios de refrigeración. Ed. Continental S.A. 5ta. Edic., México.

9.

Faires, V. M. y Simmang, C.M. 2003. Termodinámica. Ed. Limusa, México.

10. Granet,

Irving.

1994.

Termodinámica.

3ra.

Edición.

Ed.

Prentice

Hall.

Hispanoamericana S.A., México. 11. Gratton J. Termodinámica e introducción a la mecánica estadística. 2003. Editorial A.C. Buenos Aires-Argentina. 12. Lewis, M. 1993. Propiedades físicas de los alimentos y de los sistemas de procesado. Ed. Acribia, Zaragoza-España. 13. Sánchez Pineda De las Infantas, M. 2001. Ingeniería del frio; Teoría y práctica. AMV Ediciones y Mundi-Prensa Libros S.A. Madrid, España

50

14. Smith J.M., Van Ness H.C. y Abbott M.M. 1997. Introducción a la termodinámica en la Ingeniería Química. Mc. Graw Hill. 5ta edición. México. 15. Singh, R.P. y Heldman, D.R. 1998. Introducción a la Ingeniería de alimentos. Ed. Acribia, Zaragoza-España. 16. Van Wylen, C.G. y Sonntang, R.E.

1999. Fundamentos de termodinámica. Ed.

Limusa. México. 17. Vicente Quiles Pedro. 2015. Balance energético en calderas. Separatas. Área de máquinas y motores térmicos. Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales. Universidad Miguel Hernández de Elche, España.