Termodinmica I

Primera ley de la Termodinmica para un volumen de control 1. Objetivo Utilizar la primera ley de la termodinmica para el anlisis del volumen de control de un caso

real.

2. Mtodo Se considerar un volumen de control el cual est siendo atravesado por dos corrientes de

agua independientes entre s, pero que interactan trmicamente entre ellas, mientras

atraviesan el volumen de control. Observando que la energa que entra al volumen de control

es igual a la energa que sale cuando este esta en estado estable.

3. Equipo requerido.

Intercambiador de calor.

4 termocuplas.

2 medidores de flujo.

Sistema de adquisicin datos.

2 bombas de agua.

1 caldera.

4. Teora Un sistema termodinmico arbitrario que se encuentre en un estado termodinmico

cualquiera, posee una energa total E, igual a la suma de la energa cintica Ec del

movimiento mecnico del sistema en conjunto (o de sus partes macroscpicas), la energa

potencial Ep del sistema en los campos de fuerzas externas (electromagntico y de

gravitacin), y la energa interna U. E = Ec + Ep + U.

Termodinmica I

Se llama energa interna de un cuerpo o sistema termodinmico, la energa que slo

depende del estado termodinmico del cuerpo (sistema). Para un sistema en reposo que no

se encuentra en campos de fuerza externos, la energa interna coincide con la total. La

energa interna incluye en s misma la energa de todas las formas de movimientos internos

que existen e el sistema y la energa de interaccin de todas las partculas (tomos,

molculas, iones, etc.) que lo componen.

La cantidad de energa interna de un volumen de control puede cambiar cuando este sistema

interacta con el medio ambiente, las formas de interaccin son el trabajo W , el calor y el

flujo de masa .Suponiendo que la energa mecnica permanece constante, el cambio de

energa interna para un volumen de control la expresamos matemticamente:

& Q&

m&

++ +++= sssseeeevcvc gzVhmgzVhmWQ

dtdU

22&&&&

En palabras decimos que la rapidez con que cambia la energa interna de un volumen de

control, es igual a la rapidez con que intercambia calor mas la rapidez con la que realiza

trabajo (potencia) mas la rapidez con que sale y/o entra energa acompaando a la masa que

atraviesa la frontera del volumen de control.

5. Procedimiento Observe el sistema a utilizar, el cual consta de un

intercambiador de calor de doble tubo. Identifique los

tubos interno y externo, cada uno de estos tubos tiene

conectados un medidor de flujo y una bomba, adems

de termocuplas para medir las temperaturas del flujo a

la entrada y a la salida de estos. Las termocuplas estn

conectadas a un sistema de adquisicin de datos. La

direccin del flujo del tubo externo puede cambiarse

Termodinmica I

manipulando un juego de vlvulas, pudiendo tenerse flujos en el mismo sentido o flujos en

sentido contrario.

Coloque las vlvulas para que el flujo sea en el

mismo sentido en los dos tubos.

Encienda el sistema de adquisicin de datos y

observe los valores de las temperaturas que se

muestran en la pantalla, estas deben mostrar la

temperatura ambiente, las pequeas diferencias se

deben a la calibracin de las termocuplas, en nuestro

caso no nos afectan debido a que lo que nos interesa

son las diferencias de temperatura. El instructor har las correcciones necesarias para que

todos los valores sean iguales, en su defecto, el estudiante tomar estos datos de

temperatura para hacer las correcciones necesarias en los clculos de su reporte.

Conecte las bombas y regule el flujo proporcionado por ellas, con el control de los medidores

de flujo, a 10 GPH.

Encienda la caldera y ajstela a 40 V.

Observe en la pantalla de la computadora las curvas de

las temperaturas en funcin del tiempo y espere a que

el sistema llegue al estado estable.

Termodinmica I

Complete la siguiente tabla

Temperatura de entrada del tubo interno

Temperatura de salida del tubo interno

Flujo en el tubo interno

Temperatura de entrada del tubo externo

Temperatura de salida del tubo externo

Flujo en el tubo externo

Disminuya el flujo del tubo interno hasta 5 GPH, espere que llegue a estado estable y llene la

tabla siguiente:

Temperatura de entrada del tubo interno

Temperatura de salida del tubo interno

Flujo en el tubo interno

Temperatura de entrada del tubo externo

Temperatura de salida del tubo externo

Flujo en el tubo externo

Apague la caldera llevando el voltaje a 0 V.

Cambie el sentido del flujo del tubo externo manipulando las llaves correspondientes.

Encienda la caldera a 40 V.

Regule ambos flujos a 10 GPH.

Espere a que se alcance el estado estable.

Llene la siguiente tabla:

Temperatura de entrada del tubo interno

Temperatura de salida del tubo interno

Flujo en el tubo interno

Temperatura de entrada del tubo externo

Temperatura de salida del tubo externo

Flujo en el tubo externo

Disminuya el flujo del tubo interno hasta 5 GPH, espere que llegue a estado estable y

Termodinmica I

complete la tabla siguiente:

Temperatura de entrada del tubo interno

Temperatura de salida del tubo interno

Flujo en el tubo interno

Temperatura de entrada del tubo externo

Temperatura de salida del tubo externo

Flujo en el tubo externo

Apague la caldera.

Desconecte las bombas.

6. Resultados y Clculos Investigue sobre el calor especfico y sobre la densidad del agua utilizada.

Para cada uno de los casos realizados haga el balance de energa (aplique la primera ley de

la termodinmica), suponiendo que desconoce la temperatura de salida del tobo exterior.

Para cada uno de los casos construya grficos de temperatura contra longitud de los tubos,

considerando una variacin lineal de la temperatura dentro de los tubos.

Compare la temperatura a la salida del tubo exterior encontrada en el balance de energa con

la temperatura medida.