UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE PUEBLA
TERMODINÁMICA
CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO PARA LA MEDICIÓN DE LA PRESIÓN CON LA APLICACIÓN DE LA LEY DE LA HIDROSTÁTICA
ALUMNAS: ANA LIDIA GARCÍA ORTIZ, PAOLA RODRIGUEZ DUARTE, JOCELYN BÁRCENAS SÁNCHEZ Y DAIRA ESTEFANÍA MUJICA VILLEGAS
MAESTRA EDNA LIZBETH VIVEROS NAVA
5 DE FEBRERO DE 2016
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO PARA LA MEDICIÓN DE LA PRESIÓN CON LA APLICACIÓN DE LA LEY DE LA HIDROSTÁTICA
INTRODUCCIÓN: El estudio de la termodinámica involucra la mayor parte de los sucesos de la vida diaria, desde las funciones biológicas de los seres vivos hasta complicados procesos industriales, los cuales implican balances de materia y energía para obtener un mejor aprovechamiento de los recursos involucrados en ellos. Las leyes que rigen los fenómenos de la termodinámica se expresan mediante ecuaciones entre magnitudes físicas, como la presión, viscosidad, etc., que es preciso medir. La medida es un número expresado en un sistema de unidades.
OBJETIVO GENERAL: Construcción de un dispositivo para la medición de la presión con la aplicación de la ley de la hidrostática.
OBJETIVO PARTICULAR: Identificar y manejar los conceptos básicos utilizados en la termodinámica.
JUSTIFICACIÓN: El alumno aplicará los conocimientos vistos en clase con respecto a la medición de la presión utilizando dispositivos de manómetro en U. Además aplicará su ingenio para resolver este problema.
MARCO TEÓRICO: La presión se define como la fuerza ejercida por una columna de fluido sobre un área determinada. P= F/A Tipos de presión: 1. Presión absoluta: Es la presión interna que tiene el sistema, ya sea un recipiente o una tubería. 2. Presión atmosférica: Es la presión que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos en la Tierra, también se llama barométrica. 3. Presión manométrica: Es la presión que se mide en un manómetro.
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
Las medidas manométricas son consecuencia de la fuerza ejercida por el fluido (gas o líquido) sobre un líquido de gravedad específica conocida. Esto creará una diferencia de altura (altura final de la columna de agua – altura inicial de la columna de agua) que al ser multiplicada por la gravedad específica del líquido por la densidad del líquido, nos dará la presión relativa del gas que se encuentra dentro del sistema Pman = ρgΔh Para medir la presión se utiliza un manómetro, el cual se encarga de medir la diferencia entre la presión interna del sistema y la presión que ejerce la atmósfera. Un manómetro mide la diferencia en la presión en aire o líquidos comparándola a una fuente externa (vea imagen 1.1), consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno más fluidos, que al ser empujado por la presión del gas o del fluido a medir crea una diferencia de altura, la cual, muestra la presión del gas que se está analizando. -El funcionamiento del manómetro: La presión atmosférica empuja el líquido hacia el interior del tubo y hacia el extremo cerrado, el gas atrapado en el extremo cerrado a su vez empuja al líquido hacia el extremo abierto, es entonces que se realiza la medición para ver qué tanto ha sido empujado el gas del extremo sellado ya sea por debajo del punto del líquido hacia el extremo abierto o por encima de éste. Si el líquido está nivelado a ambos lados de la manguera, entonces el gas tiene la misma presión que el aire de la atmósfera; si el líquido está más elevado en el extremo del lado sellado, entonces la presión del aire es mayor a la del gas; si el gas en el extremo sellado tiene mayor presión que el aire en la atmósfera, entonces el agua se verá empujada por encima del punto de equilibrio en el extremo abierto.
Imagen 1.1. Se muestra el sistema de una manómetro casero, en el cual su líquido es el agua, y de un lado de la manguera está el sistema por donde se suministra calor (en la práctica fue un matraz kitasato suministrando calor por medio de un mechero de bunsen) y de otro lado de la manguera la presión atmosférica.
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
DESARROLLO EXPERIMENTAL: I. Material
Manómetro en U construido (Ver Figura 1 como ejemplo de construcción, usar papel cascarón, triplay, o cualquier otro tipo de material que sirva de soporte del manómetro, en el centro dibujar o pegar regla graduada o cinta métrica, usar manguera transparente de 1cm de diámetro y 80 cm de largo)
Jeringa de 10mL
Calculadora
Tablas de conversión
Cinta de aislar
Material de Laboratorio
Matraz Kitasato de 250mL,
Parrilla de calentamiento
Termómetro 100°C
Soporte Universal
Pinzas de 3 dedos
1 tapón de caucho para termómetro
II. Procedimiento 1.- Introducir la manguera al tubo lateral del matraz y un termómetro en la parte superior del matraz. Selle perfectamente de tal forma que no vaya a haber fugas de aire por el orificio en que se introdujo el termómetro ni por el espacio entre la manguera y el matraz. 2.- Introducir agua dentro manómetro de tubo en U (manguera en forma de U), puede adaptar una válvula al extremo de la manguera que estará interconectado con el matraz. 3.- El manómetro deberá tener una cinta métrica como se ilustra en la fig.1.
Fig. 1 Manómetro en U
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
III. Mediciones de Presión. 1.- Mida la altura de la columna de agua que se forma. 2.- Aumente la temperatura del aire encerrado dentro del matraz y mida a intervalos cortos de la misma, como varía la altura de la columna líquida. Estime la presión que hay en cada punto en el que midió la altura. Haga un gráfico de todas las variables. (T, P, tiempo, Volumen) 3.- A partir de las mediciones anteriores determine la presión absoluta. Considere la presión atmosférica de Puebla. 4.- Coloque en uno de los brazos del manómetro una jeringa, de manera lenta succione. Mida cuantos mm se ha desplazado la columna de agua (manómetro).Anote las lecturas en la siguiente tabla: (Estas mediciones serán a temperatura ambiente)
IV RESULTADOS TABLA DE RESULTADOS A TEMPERATURA AMBIENTE
Tie mpo
Volume n
Te mpe ratura
Variación de Altura Variación de Altura Presión Manometríca (H2-H1) cm (H2-H1) mm (d*h*g)
2.36 seg
10 cm3
19 ° C
26.5 cm -3 cm= 23.5 cm
235 mm
2.60 seg
5 cm3
20 ° C
21 cm-8.5 cm = 12.5 cm
125 mm
0.90 seg
3 cm3
20 ° C
19 cm-10.4 cm= 8.6 cm
86 mm
Presión Absoluta (Pman+Patm)
(1 g/cm3)(23.5 cm)(981 23053.5 g /cms2+1. 018 x 10 ^ cm/s2)=23053.5 g /cms2 6 g/ cm s2 = 1.04 x 10 ^6 (1 g/cm3)(12.5 cm)(981 12262.5 g /cms2+1. 018 x 10 ^ cm/s2)=12262.5 g /cms2 6 g/ cm s2 = 1.03 x 10 ^6 (1 g/cm3)(8.6 cm)(981 8436.6 g /cms2+1. 018 x 10 ^ cm/s2)=8436.6 g /cms2 6 g/ cm s2 = 1.02 x 10 ^6
TABL A DE RESUL TADOS SOMETID OS A CALOR
Tie mpo
Volume n
Te mpe ratura
Variación de Altura Variación de Altura Presión Manometríca (H2-H1) cm (H2-H1) mm (d*h*g)
4 seg
10 cm3
105 ° C
27cm -3 cm= 24 cm
240 mm
0.93 seg
5 cm3
105 ° C
21 cm-7.5 cm = 13.5 cm
135 mm
0.73 seg
3 cm3
105 ° C
19-5 cm-10.3 cm= 9.2 cm 92 mm
(1 g/cm3)(24 cm)( 981 cm/s2)=23.54 X 10 ^3 g /cms2 (1 g/cm3)(13.5 cm)(981 cm/s2)=13243.5 g /cms2 (1 g/cm3)(9.2 cm)(981 cm/s2)=9025.2g /cms2
Presión Absoluta (Pman+Patm) 23.54 X 10^3 g /cms2+1. 018 x 10 ^ 6 g/ cm s2 = 1.04 x 10 ^6 13243.5 g /cms2+1. 018 x 10 ^ 6 g/ cm s2 = 1.03 x 10 ^6 8436.6 g /cms2+1. 018 x 10 ^ 6 g/ cm s2 = 1.02 x 10 ^6
TABLA CON PRESIÓN DE LA J ERINGA Tie mpo
2 seg
Volume n
10 cm3
Te mpe ratura
105 °C
Variación de Altura Variación de Altura Presión M anometríca (H2-H1) cm (H2-H1) mm (d*h*g) 26 cm- 3 cm= 23 cm
230 mm
(1 g/cm3)(23 cm)(981 cm/s2)=22563 g /cms2
Pre sión Abs oluta (Pman+Patm) No se pueden realizar los calculos porque la jeringa bloqueaba la via de la manguera para obtener la presión atmosférica
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
Tablas de presiones manométricas -temperatura ambiente
Atm
Pa
Lb/in2
Kpa
Bar
Dina/cm2
234.69
.0226
2305.35
.332
2.3
.023
23.05X103
125.10
0.01209
1226.25
0.177
1.226
0.01226
12262.5
86.08
8.32x10-
843.6
.122
0.8436
8.43x10- 843.6
mm H2O
3
3
-sometidos a calor Atm
Pa
Lb/in2
Kpa
Bar
Dina/cm2
240.20
0.0232
2354
0.340
2.35
0.02354
23540
135.10
0.01306
1324.35
0.1919
1.324
0.01324
13243.5
920.93
8.90X10- 902.52
0.130
.9025
9.02X10- 9025.2
mm H2O
3
3
-con jeringa mm
Atm
Pa
Lb/in2
Kpa
Bar
Dina/cm2
0.022
2256
0.323
2.25
0.022
22560
H2O 230.20
Los resultados obtenidos son los mostrados anteriormente, a continuación se mostraran las gráficamente estos resultados para poder entenderlo mejor.
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
TABLAS DE RESULTADOS A TEMPERATURA AMBIENTE -Presión-temperatura 1045000
23053.5
30000 20000
12262.5
a 10000 c i r t 0 é m o n a m . P
1
A1040000 T U L O1035000 S B A1030000 N O I 1025000 S E R 1020000 P
8436.6
2
1041053
3
P. manométrica
1030262
1015000
Temperatura de 19- 20 °C
1026436. 6
TEMPERATURA
Lineal (P. manométrica)
Lo que se puede observar en esta gráfica es que mientras la temperatura aumenta la presión manométrica disminuye esto es debido a que la presión externa aumentó generando una disminución en la presión manométrica -Presión-volumen RESULTADOS A TEMP. AMBIENTE 1200000 1000000 S E 800000 N O I 600000 S E R 400000 P
200000 0 0
2
4
6
8
10
12
VOLUMEN (cm3)
En esta tabla podemos ver que el sistema termodinámico se mantuvo constante tanto la presión como el volumen del sistema, con esto podemos concluir que se estaba llevando a cabo un proceso isobárico (presión constante) e isocórico (volumen constante).
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
-volumen-altura 30 25 20 a r u t 15 l a
10 5 0 0
2
4
6
8
10
12
volumen
La altura incrementa proporcionalmente al volumen de aire succionado por la jeringa, ya que dependiendo del volumen que succiones será la altura que esté generara, si se toma un volumen de 10 ml =10cm3 la altura del manómetro será mayor que si solo se toma un volumen de 5 ml =5cm3. (Ver tablas de resultados Volumen/Altura) RESULTADOS A CALOR SUMINISTRADO -Presión-temperatura 25000
23510.5
a 20000 c i r t é 15000 m o n 10000 a m . P 5000
13243.5 9025.2
0 105 ° C
105 ° C
105 ° C
Temperatura
Se observa en esta gráfica que la presión manométrica disminuye con el calor suministrado en 3 puntos diferentes de tiempo
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
-Presión-volumen RESULTADOS A TEMP. AMBIENTE 1200000 1000000
S E 800000 N O I 600000 S E R 400000 P
200000 0 0
2
4
6
8
10
12
VOLUMEN (cm3)
En esta gráfica nos podemos dar cuenta que el sistema está en un estado de equilibrio debido a que las variables macroscópicas que son Presión y Volumen permanecen constantes -Volumen-altura 30 25 20 a r u t 15 l a
10 5 0 0
2
4
6
8
10
12
volumen
La altura incrementa proporcionalmente al volumen de aire succionado por la jeringa, ya que dependiendo del volumen que succiones será la altura que esté generara, si se toma un volumen de 10 ml =10cm3 la altura del manómetro será mayor que si solo se toma un volumen de 5 ml =5cm3. (Ver tablas de resultados Volumen/Altura)
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava
V CONCLUSIONES Se cumplieron los objetivos generales y particulares, ya que se construyó un manómetro con los materiales especificados en la práctica, siguiendo las leyes de la hidrostática. Ocupamos nuestro ingenio ya que tuvimos ciertos problemas durante la ejecución de las mediciones de la presión, la temperatura, y el volumen, ya que el matraz ocupado presentó una fisura que bien pudo provocar fugas y cambios en los cálculos. Se identificó perfectamente bien los conceptos vistos en clase, ya que los observamos en un caso aplicado. Fue una experiencia lúdica, donde se puede decir que volvimos a aprender por nuestra cuenta lo ya examinado.
BIBLIOGRAFÍA CENGEL, Y. A. (2009). TERMODINÁMICA. MÉXICO D.F.: MC GRAW HILL. Gonzalez, R. S. (2014). Termodinámica. Hidalgo: Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Ángel franco García. (2011 ). Conceptos básicos de Termodinámica. 2016 , de Universidad del País Vasco
Docente: M.I.Q. Edna L. Viveros Nava