Laboratorio de Termodinámica Clásica

Transcripción

1 Laboratorio de Termodinámica Clásica Sesión 3 Practica #4 Determinación del coeficiente de compresibilidad isotérmica del aire. Para esta práctica utilizaremos un equipo pasco llamado Aparato de ley adiabática de gases, mostrado en la siguiente foto El cual consiste fundamentalmente en un cilindro de acrílico y un pistón de teflón, con dos válvulas de acceso al gas que se quiere estudiar. En nuestro caso utilizaremos aire. En el pistón están adaptados 3 sensores, de presión, de temperatura y de posición del pistón (la cual conocidas las dimensiones geométricas del cilindro determinan el volumen de aire encerrado. En la siguiente foto se muestran la salida de alimentación del aparato y las de los sensores (temperatura, volumen, presión).

2 Al inicio de la practica ya estará una configuración inicial para el aparato, en la cual ya están conectados los sensores en un orden especifico a la interface (Canal A: sensor de presión, canal B: sensor de volumen y canal C: sensor de temperatura). Previamente se ha realizado la calibración de los sensores, de tal manera que las unidades de presión estarán dadas en kpa, las de volumen en cm 3 y de temperatura en K. En la siguiente foto se ilustra la pantalla en el software DataStudio donde se definen los sensores en la opción sensor definido por el usuario Actividad previa a la medición: Como el objetivo es determinar la compresibilidad isotérmica del aire, debemos recordar que este coeficiente esta dado como: 1 V V P Entonces para determinar este coeficiente deberemos cuantificar esencialmente los cambios de volumen respecto a los cambios de presión PERO a temperatura constante, es decir deberemos realizar un proceso sobre el aire encerrado en el cilindro. Para dilucidar las condiciones de este proceso se procederá de la siguiente manera:

3 (a) En la posición más baja del pistón, se abrirá una de las válvulas para enseguida cerrarla, esto nos asegura que la presión del aire en el volumen mínimo será la presión atmosférica. (b) Abrir la opción grafica de la temperatura en DataStudio (c) Expandir el aire rápidamente (moviendo la palanca del pistón de abajo hacia arriba) para observar el comportamiento de la temperatura en este proceso de expansión. (d) Volver a la condición inicial, pero ahora expandir lentamente (y uniformemente) el aire (moviendo la palanca del pistón de abajo hacia arriba). (e) Observar en la grafica de temperatura el comportamiento en este proceso lento y la comparación con el proceso rápido. (f) Entonces si queremos cambiar el volumen de aire encerrado y cuantificar estos cambios respecto a presión a temperatura constante Cuál deberá ser la condición en el movimiento del pistón para cumplir la condición en la determinación de κ? Procedimiento para la determinación de κ 1).- Seleccionar el volumen mínimo de aire en el cilindro. 2).- Abrir las opciones de gráficos y tablas de las propiedades presión, volumen y temperatura en DataStudio. 3.- Dar inicio a las lecturas e iniciar el movimiento del pistón, detener las lecturas cuando se alcance el volumen máximo. 4.- Comprobar, en la grafica de temperatura, que se cumple la condición necesaria (temperatura aproximadamente constante en todo el proceso). 5.- Si no se satisface la condición del punto anterior, repetir desde el paso 3, hasta cumplir el requisito de temperatura. 6.- Guardar en archivo las tablas de datos obtenidos. 7.- Quitar todos los ensayos realizados, para volver a dar inicio en condiciones diferentes. 8.- Seleccionar un volumen inicial intermedio, donde el extremo inferior del pistón coincida con el valor 10 cm de la regla fija en el pistón. 9.- Repetir los pasos 2 al Seleccionar otro volumen inicial, donde el extremo inferior del pistón coincida con el valor 12 cm de la regla fija en el pistón Repetir los pasos 2 al 7. Para cada una de las 3 condiciones iniciales realizar: (A) Tablas solo de presión, volumen, temperatura y con ellas realizar para todos los datos la operación (Presión)*(Volumen)/Temperatura y observar si se presenta alguna regularidad de los datos de esta operación. (B) Presentar en una grafica apropiada los datos de Presión vs Volumen, que permitan inferir de forma directa el valor del coeficiente κ.

4 Sesión 3 Practica #5 Determinación del coeficiente de dilatación de varillas solidas. Para esta práctica utilizaremos un equipo pasco llamado Aparato de expansión térmica, cuyo arreglo completo es mostrado en la siguiente foto El cual consiste fundamentalmente en una base en la cual está colocado un cilindro hueco metálico (latón, cobre o aluminio), en el cual está colocado en su parte central un sensor de temperatura (termistor), en el extremo izquierdo (foto) un sensor de movimiento rotacional y el lado derecho la entrada a través de una manguera un generador de vapor (foto).

5 Los cambios de temperatura de las varillas (medidos con el termistor) se logran al hacer pasar vapor de agua por la parte central (proveniente del generador de vapor), los cambios de longitud son detectados por el sensor de movimiento rotacional. Como el objetivo es determinar el coeficiente de dilatación lineal, el cual está dado como: L 1 L p Deberemos determinar el comportamiento de los cambios de longitud respecto a cambios en temperatura. Se iniciará en una configuración ya seleccionada en el software DataStudio, en la cual el sensor de movimiento rotacional está colocado en dos canales digitales de la interface y el termistor en el canal analógico B. Procedimiento general 1.- Comprobar la nivelación de la base que soporta la varilla metálica. 2.- Seleccionar una de las 3 varillas. 3.- Colocar el sensor de temperatura aprisionado con el gancho central de la varilla. 4.- Colocar el gancho, en el extremo izquierdo de la varilla, el cual permite el contacto de la varilla con el eje del sensor de movimiento rotacional. 5.- Encender el generador de vapor, en la opción de máxima potencia. 6.- Abrir en el software las opciones graficas y de tablas de incremento de longitud e incremento de temperatura. 7.- Aproximadamente a los 12 minutos (tiempo aproximado que inicia el flujo de vapor por el centro de la varilla) dar inicio a las lecturas. 8.- Al final de la expansión de la varilla, exportar las tablas de datos. 9.- Presentar gráficamente los resultados, en donde se observe el comportamiento del coeficiente de expansión lineal Repetir el procedimiento para la medición para las dos varillas restantes.