UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA MECANICA-ELECTROMECANICA LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS TERMODINAMICA TECNICA I MEC 2244 “A” LABORATORIO Nº1 MEDICIONES EN EL SISTEMA NEUMATICO DEL LABORATORIO Pagina 1 de ...
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RESUMEN
En el desarrollo del laboratorio experimental, se inició dando un concepto elemental de que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma.
También durante el proceso de reconocimiento de los manómetros, se realizaran mediciones de presión con un manómetros patrón y otro el manómetro regulador, y también se sacaran las características geométricas vinculadas con el volumen del compresor. Con estos datos y tomando en cuenta las condiciones del ambiente presión, temperatura se pudo hallar la velocidad media cuadrática de las moléculas, se calculo la capacidad de almacenamiento de aire para cada una de las presiones leídas en el manómetro patrón.
Los resultados más importantes calculados para la medición de la presión son:
ν=503.424[m
s ]± 1.759 [m
s ]
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1. Introducción:
Para llevar a cabo la práctica de laboratorio, se dio conocer el uso y manejo de los diferentes instrumentos de medición, en este caso instrumentos de medición de presión.
En esta práctica experimental, se encarará la medición de la presión, mediante los manómetros de Bourdon. Con las lecturas de los manómetros patrón y regulador, se calculó la incertidumbre de datos con las lecturas de presión. Luego se intentara demostrar que la Termodinámica no solamente se basa en los fenómenos macroscópicos, sino también que se encuentra íntimamente ligada con fenómenos microscópicos.
Antecedentes:
Partiendo del principio de que los primeros pasos a la disciplina de laboratorio tienen que tener una
clara percepción de la instrumentación, la adquisición y el uso de datos basados en la medición, es
que se encara este laboratorio. Esto permitirá a los practicantes de laboratorio repasar y reforzar sus
técnicas y conceptos de la medición direccionados especialmente a las dimensiones termodinámicas
vinculadas con el sistema neumático de laboratorio: compresor, red, válvulas de regulación y
manómetros.
Objetivos:
Conocer los instrumentos para medir presión más comúnmente empleados en la industria.
Reforzar la disciplina de medición y tratamientos de datos experimentales a través del manejo
de manómetros de Bourdon.
A través de la definición de presión como propiedad termodinámica, reforzar los fundamentos
introductorios de la termodinámica.
Consolidar, en el uso y cumplimiento de normas básicas de elaboración y presentación de un
informe de laboratorio de la naturaleza disciplinaria de esta actividad.
Fundamento teórico:
Propiedades termodinámicas.- En el cálculo de cambios de energía que hayan ocurrido en un sistema
o sustancia operante, se debe expresar el comportamiento del sistema en función de características
descriptivas llamadas propiedades. Las propiedades macroscópicas son presión, temperatura,
densidad, volumen específico, etc.
Estas propiedades se pueden clasificar en intensivas y extensivas. Las propiedades intensivas son
independientes de la masa, como la presión, temperatura, densidad, potencial eléctrico; y las
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propiedades extensivas dependen de la masa total del sistema, como el volumen total y la energía
total del sistema.
Las propiedades termodinámicas más importantes o variables de estado, que nos permiten describir
un sistema, son el volumen, la temperatura y la presión.
Presión
Definición macroscópica.- Desde el punto de vista tradicional y macroscópico se define la presión
como el cociente entre la fuerza aplicada a un área determinada, es decir:
P= F
A [Pa] (1.1)
Es una cantidad escalar, que según el Sistema Internacional de Unidades se mide en Pascales.
Definición según la teoría cinética.- La presión en un gas, la produce el impacto de un gran número
de moléculas del gas sobre la superficie considerada. Según la teoría cinética de los gases, el volumen
de una molécula es despreciable, las fuerzas de interacción entre las moléculas son también
despreciables, y se admite que dichas moléculas son esferas rígidas que chocan elásticamente entre sí
y contra las paredes del recipiente que contiene al gas.
Velocidad media cuadrática.- Aplicando el principio de conservación de cantidad de movimiento
lineal en una molécula A y en la dirección del eje Y, se tiene que:
mv2−mv1=mA [v A 1 y−(−v A 2 y) ] (1.2)
Como la colisión es elástica, las dos velocidades del segundo miembro de la ecuación son iguales,
entonces se tiene que la cantidad de movimiento para cada molécula es:
p=2mv y [Kg*m/s] (1.3)
El tiempo que tarda una molécula en llegar a la pared opuesta y rebotar con dicha pared es:
τ=2 Lv y [s] (1.4)
Dividiendo la variación de cantidad de movimiento entre el tiempo, se tiene que la fuerza de impacto
producida por las moléculas es:
F=mL∑i=1
N
v2
yi= NmL
∑i=1
N
v2iy
N [N] (1.5)
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Aplicando la definición de presión se tiene:
P= FA
= Nm
L3v
2y[ Pa ]
(1.6)
Para las velocidades se tiene que:
v2=vx2+v
y2+vz2 (1.7)
Como los movimientos de las moléculas son completamente al azar, se puede decir que:
vx=v y=v z (1.8)
Combinando las ecuaciones (1.6) y (1.7), obtenemos que:
vy2=
v2
3 (1.9)
De donde finalmente se tiene que:
P= Nmv2
3 V=Nρ v2
3[ Pa]
(1.10)
Dónde: N es el número de moléculas, ρ es la densidad del gas, y v se conoce como velocidad media
cuadrática de las moléculas.
Presión atmosférica, manométrica y absoluta.-
La presión atmosférica se debe a la presión que ejerce al aire atmosférico sobre nosotros. Se puede
medir la presión atmosférica utilizando una columna de mercurio, según el experimento realizado por
Torricelli. A nivel del mar, se observa que el mercurio alcanza una altura de 760 mm respecto al nivel
de mercurio en el recipiente; por esta razón se dice que la presión atmosférica a nivel del mar es de
760 mm Hg.
Sin embargo, la presión atmosférica, varía de acuerdo a la altura respecto al nivel del mar de cada
lugar, ya que a mayor altura existe una menor cantidad de aire, y por lo tanto, a mayor altura éste
ejerce una menor presión. En Oruro, utilizando el mismo experimento de Torricelli, la columna de
mercurio tiene una altura aproximada de 486 mm, equivalente a 0,64 atm.
La presión atmosférica se mide con aparatos denominados barómetros.
La presión manométrica, es aquella que se mide con los manómetros, y es una presión relativa; es
decir que la presión manométrica indica el valor en que la presión se encuentra por encima (o por
debajo) de la presión atmosférica local.
La presión absoluta es la suma de las presiones atmosférica y manométrica
(1) Tubo de Bourdon (2) Soporte fijo del tubo (3) Extremo móvil del tubo (4) Corredera
(5) Biela
(6) Engranaje
(7) Aguja indicadora
(8) Escala calibrada
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Figura. Relación de los diferentes tipos de presión
Manómetros de Bourdon.- Se trata de un tipo de manómetro aneroide conocido como instrumento de
un solo tubo. El fluido entra al aparato por la conexión roscada. A medida que aumenta la presión, el
tubo de la sección elíptica, tiende a enderezarse, y el extremo que está más próximo al sistema
articulado se mueve hacia la derecha. Este dispositivo produce la rotación del sector de engrane, el
cual mueve un piñón unido a la aguja indicadora. Todo el mecanismo está, desde luego, encerrado en
una caja, y un disco graduado sobre el cual se lee la presión, se halla colocado bajo el índice de la
aguja.
Figura Partes de un manómetro de Bourdon
Barómetros.-
Definición y clasificación.- Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La
presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmósfera.
Donde, como ves, la expresión de la entalpía no depende del criterio de signos seguido para llegar a
ella
T = cte. Procesos isotérmicos. Aquellos en los que la temperatura permanece constante. Por
ejemplo, un recipiente con gas y un pistón en la zona superior, sumergido en un depósito calorífico a
temperatura constante. Al ser la temperatura constante, la variación de energía interna es
cero ∆U=0 y en consecuencia:
∆U=Q+W∆U=Q−W}0=Q+W0=Q−W}Q=−WQ=W}
Donde se han tenido en cuenta los dos criterios de signos posibles. Observa que el proceso se realiza
sobre una única isoterma:
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2. Metodología:
El presente trabajo fue realizado el día jueves 13 de agosto del 2015, por un grupo de diez y seis universitarios con el asesoramiento del Ing. Edgar Peñaranda M., en el laboratorio de Máquinas térmicas aprovechando la red neumática del laboratorio de hidráulicas.
Equipo, material e instrumentos utilizados:
Se usaran dos tipos de manómetros de Bourdón; uno que corresponde a un regulador de presión (instrumento) y otro propiamente dicho (patrón o el de lectura verdadera), que puede medir sobre presiones y depresiones (vacuometro).
Los equipos y materiales que se usaran en el laboratorio son:
o Compresor.o Red neumática.o Regulador de presión.o Mangueras de presión.o Conector Cónico.o Manómetro – vacuómetro.o Cinta MétricaA continuación damos a conocer las fichas técnicas de los instrumentos, sistemas o equipos que se usaron en la realización del presente laboratorio
Fichas técnicas.
Regulador de presión
AccesoriosFicha técnica del medidor de flujo:
Fig.
MATERIAL DESCRIPCIÓNNombre del instrumento Medidor de flujoTipo DiafragmaMarca del instrumento East seaIndustriaColor Naranja (carcasa)Unidad de medición -------------------Rango de medición -------------------Sensibilidad -------------------Incertidumbre -------------------
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Ficha técnica del Manómetro:
Ficha técnica de la Manguera de presión:
Ficha técnica del manómetro vacuo metro:
Fig.
Fig.
MATERIAL DESCRIPCIÓNNombre del instrumento ManómetroTipo BourdónMarca del instrumento AshcroftIndustria USAColor Plateado (carcasa)Unidad de medición PsiRango de medición 0 - 30Sensibilidad 0.5Incertidumbre 0.25
MATERIAL DESCRIPCIÓNNombre del instrumento Manguera de presiónTipoMarca del instrumento ------------------Industria ArgentinaColor VerdeUnidad de medición ------------------Rango de medición ------------------Sensibilidad ------------------Incertidumbre -----------------
Nombre del instrumento
Manómetro vacuometro
Tipo Vacuometro
Marca ---------------------------
industria USAColor Negro (carcasa)Unidad de medición
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Ficha técnica del compresor alternativo:
Ficha técnica de la cinta métrica
Montaje del equipo:
Fig.
Fig.
Fig.
MATERIAL DESCRIPCIÓNNombre del instrumento Compresor alternativoTipo EnvaseMarca del instrumento ShwenninenIndustria AlemánColor GuindoUnidad de medición kg
cm2
Longitud 36 inPerímetro 37in
MATERIAL DESCRIPCIÓNNombre del instrumento Cinta métricaTipoMarca del instrumento WytefaceIndustria USAColor Plateado (carcasa)Unidad de medición Inch – piesRango de medición 0 – 50Sensibilidad 0.125 in.Incertidumbre ±0.0625 in.
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Descripción del experimento:
- Inicialmente se realizó un reconocimiento de los manómetros y del tipo de compresor sacando una
ficha técnica de cada uno de los mencionados.
- Después se hizo la verificación de las válvulas abriendo la válvula del compresor.
- Posteriormente se procedió a regular la presión y posteriormente a conectar el manómetro patrón a
la red neumática.
- Se hicieron las mediciones de las lecturas de presión del manómetro patrón como es del manómetro
regulador.
- Se procedió al cierre de las válvulas, el despresurizado de las mangueras y retirado de las
mangueras.
- Se hicieron las mediciones del diámetro, longitud del compresor con la ayuda de una cinta métrica.
- Finalmente se procedió al recojo de los instrumentos utilizados.
Registro de datos:
N PATRON PATRON REGULADOR
psi(±0.5) kPa (± 2.5) psi (±0.25)
1 1 5 2
2 2.5 20 3.5
3 5 35 5
4 6.5 45 6.5
5 6 45 6.5
Tabla 2.4: resultados obtenidos de la velocidad media cuadrática
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Cálculos:
Aplicando la teoría de propagación de la incertidumbre calcular la velocidad media cuadrática de las moléculas de aire.
Datos:
T= temperatura
T=7 0 C±0 .1 0 C
Transformando a grados kelvin
T=280 .15 0 K±273 .25 0 K
R= Constante del aire
R=287[J Kg∗0 K ]P=presión del sistema
P=2 .5 [bar ]
Z= altura de la ciudad de Oruro
Z= 3706 (m)
v=√ 3 Pρ ………………………… (2.1)
ρ= PR∗T ………………………..… (2.2)
β=T 0−T prom
z ………………….… (2.3)
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Patm=P[T−β∗ZT ](
gβ∗T )
...…. (2.4)
Patm=Patms+Pman………… ……. (2.5)
Usando el método de casos frecuentes hallamos las siguientes ecuaciones