P.1. Presión de Vapor y Temperatura de Ebullición (PVT-I)
En esta práctica observamos la relación directa que tiene la temperatura de ebullición frente a la presión en un volumen de control. Veremos cómo al variar la presión, la temperatura de ebullición varía considerablemente. En nuestro experimento, trabajaremos con un volumen constante, por lo tanto, se producirá un aumento de presión en el recipiente.
Desarrollo
En un matraz tenemos agua a la que someteremos a un aumento gradual de temperatura. A dicho matraz le conectamos una bomba de vacío, la cual modifica la presión en el interior del matraz, variando las condiciones de presión a las que está sometida el agua. Tenemos un termómetro que está en contacto con el H2O para ver la temperatura a la que se encuentra, y un vacuómetro que muestra la presión del sistema.
Al inicio, conectamos la bomba, produciendo una disminución de la presión hasta aproximadamente 150 mbar. Aplicamos calor al agua hasta que comienza a ebullir (momento en el que realizamos la lectura de la presión y temperatura). La lectura se repite 4 veces en intervalos de 15 mbar hasta alcanzar la presión atmosférica.
Análisis de Datos
Como podemos ver, al aumentar la presión, aumenta la temperatura (gráfica P-T). En la gráfica P-T observamos que no es una línea recta, por esto ajustamos los datos en una regresión lineal. Viendo estas gráficas, también deducimos que no se corresponden con la realidad, ya que si prolongásemos dicha línea, vemos que la presión de ebullición a 5 grados se corresponde con -909.681648, siendo inviable.
Por esta razón, hacemos un ajuste de la ecuación P=A+BT pasándola a una ecuación Ln(P)=A+B/T, siendo una simplificación de la ecuación de Clapeyron-Clausius. Así, la correlación de valores es más exacta, ya que «R» es 0.99. Esto nos demuestra que la correlación entre la presión de un fluido y su temperatura es casi una función exponencial.
Equipo
- Vacuómetro
- Termómetro
- Matraz esférico A y B
P.2. Gases Ideales
Consiste en ver si el aire puede considerarse como un gas ideal. Modificamos la presión, temperatura y volumen, e intentamos determinar la relación entre estas (ecuación de Boyle-Mariotte). El aire se encontrará en un recipiente de vidrio.
Equipo
Nanómetro de mercurio en U. Sus brazos están formados por un tubo de plástico flexible (en contacto con un tubo de vidrio de mayor diámetro, donde está la reserva de mercurio). El tubo de medida permanece fijo, mientras que el recipiente de reserva puede desplazarse. Esto permite variar la presión y el volumen encerrado. El volumen viene dado por la suma de los volúmenes de la parte cilíndrica y esférica del tubo. La presión será la atmosférica más la marcada por el nanómetro, y la temperatura se ve en el termómetro.
Análisis de Datos
Vemos que la presión es inversamente proporcional al volumen a una temperatura dada. Viendo las gráficas, vemos que tiene una alta correlación lineal. Esto concuerda con la ecuación de los gases ideales, por lo que asumimos que el aire se comporta como un gas ideal. Sin embargo, conforme aumenta la temperatura, la correlación disminuye, lo que indica que esta relación es menos fiable a altas temperaturas. El aire también dejará de comportarse como gas ideal cuando la presión sea baja.
P.4. Ciclo de Refrigeración y Bomba de Calor
Este ciclo está compuesto por un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. En el ciclo de refrigeración, el fluido en estado gaseoso a baja presión y temperatura es aspirado por el compresor y sale de este a alta presión y temperatura. Luego pasa por el condensador, dejando el fluido a temperatura media y alta presión, con lo que el fluido se condensa. Pasa por la válvula, que produce un descenso de presión y temperatura. Por último, pasa por el evaporador, reduciendo la temperatura.
La bomba de calor sigue el mismo proceso, con la diferencia de que el condensador se sitúa en un entorno a calentar.
Equipo
Manómetros de alta (entre 0 y 39 bar) y baja presión (0 a 9 bar), termómetro de contacto. Podemos utilizar estos datos en el diagrama P-h para R12 y R22. La presión la obtenemos directamente de los datos; la entalpía hay que determinarla a partir de la presión y la temperatura. Observando el diagrama correspondiente al R-22, vemos que se asemeja al diagrama teórico. De igual manera pasa con la bomba de calor. En cambio, el diagrama R-12 no se aprecia ningún parecido con el ciclo teórico, sobre todo en la válvula de expansión, que debería ser isoentálpica, y esto no se cumple.
P.3. Efecto Joule-Thomson
Consiste en el paso desde un contenedor a presión constante a otro a presión también constante y menor, de un gas a través de un estrangulamiento (proceso irreversible, sin embargo, la entalpía es la misma). El gas se expande adiabáticamente de un contenedor a otro y se produce una variación en su temperatura (que depende de las presiones inicial y final). Queremos calcular la temperatura tras el paso del estrangulamiento; a partir de ahí, sacamos μ. El parámetro μ está relacionado con los parámetros del gas (μ=ΔT/ΔP), α= 1/V(ΔV/ΔT) y es el coeficiente de expansión térmica. Esta práctica se hace con N2 y CO2. A diferencia de temperaturas de un grado, le corresponden una diferencia de potencial de 50 μV. La diferencia de potencial se mide con un voltímetro analógico en 100 μV.
Botellas de gas y manorreductor-circuito de gas (no debe superar 0.85 bar).
Toma de Datos
Medir la diferencia de temperatura para valores de presión (comienza a presión alta, 0.85 bar. Se baja lentamente la presión y se toma una nueva medida cada 0.05 bar hasta 0.1 bar).
2P. Teoremas de Clausius y Planck
Clausius: Es imposible la existencia de un sistema que pueda funcionar de modo que su único efecto sea una transferencia de energía, mediante calor, de un cuerpo frío a otro más caliente.
Planck: No todo el calor de la fuente caliente puede transformarse en trabajo, sino que parte de este calor debería cederse a la fuente fría.
Ciclo en Cascada
Los ciclos A y B comparten un intercambiador de calor a contracorriente, donde la energía cedida por la condensación del refrigerante del ciclo «A» a temperatura más baja se utiliza para evaporar el refrigerante del ciclo «B» a temperatura más alta. COP: β=QE/(WCA+WCB). La relación entre los flujos másicos del ciclo A y B se obtienen con los balances de masa y energía en el intercambiador de calor intermedio.
Ciclo de Compresión Multietapa
El vapor saturado entra a temperatura relativamente baja al intercambiador de calor (E.9), donde se mezcla con el refrigerante que, de la primera compresión (2), sale la mezcla a temperatura intermedia (3) y se comprime hasta la presión del estado 4. La cámara flash es un separador líquido-vapor. El refrigerante sale del condensador y, tras pasar por la válvula de estrangulación (6), entra a la cámara flash como mezcla bifásica líquido-vapor. El vapor saturado (9) realiza el ciclo ya comentado de nuevo y el líquido saturado (7) pasa por la válvula de estrangulación (8), pasa por el evaporador y llega al estado 1.
Ciclo de Absorción
El amoníaco es el refrigerante y el absorbente es el agua. El compresor es sustituido por un absorbedor, una bomba, un generador y una válvula. En el absorbedor, el H2O absorbe el NH4 vapor procedente del evaporador (1). La formación de esta solución líquida es exotérmica. Alrededor de este circula H2O de refrigeración para retirar la energía liberada al entrar el amoníaco en la solución y mantener la temperatura del absorbedor lo más baja posible. En «a», la solución de NH4-H2O deja el absorbedor y entra en la bomba, donde su presión aumenta hasta la del generador. En el generador, el NH4 vapor sale de la solución (proceso endotérmico), dejando una solución pobre en el generador. El vapor libre pasa al condensador en (2) y la solución pobre en «c» fluye a través de la válvula hacia el absorbedor.
Ciclo Brayton
El gas entra al compresor (1) y se comprime hasta la presión (2). Se enfría hasta el estado (3) y se aproxima a la temperatura del foco caliente. El gas se expande hasta (4) a una temperatura mucho más baja que TF y la refrigeración se produce por transferencia de calor desde la zona refrigerada hacia el gas, pasando de (4) a (1) y completando el ciclo.
Deshumidificador
El aire entra en (1) y circula a través de un serpentín de refrigeración; parte del vapor se condensa y el aire húmedo sale del deshumidificador saturado (2). Como el aire caliente del deshumidificador está saturado a T2.
Torre de Refrigeración
El H2O se pulveriza en lo alto de la torre. El aire atmosférico entra y es aspirado hacia arriba con el ventilador, y circula en sentido opuesto al de las gotas del H2O. Al juntarse, una pequeña cantidad de H2O se evapora y sale como aire húmedo con una W4>W3. El H2O que cae abajo sale con una T2.
Evaporativo
Debido a la baja humedad del aire que entra en el estado 1, parte del H2O inyectada se evapora. La energía para la evaporación la suministra la corriente de aire, que reduce su temperatura y sale en (2) con una temperatura inferior a la de su entrada. Como el aire entrante es relativamente seco, la humedad adicional que transporta la corriente de aire que sale suele ser beneficiosa. Balances de masa y energía: (hA2+W2 hG2)=(W2-W1)hF+(hA1+W1 hG1).
Mezcla de Dos Corrientes
El objetivo del análisis termodinámico es fijar el caudal y el estado de la corriente de salida para unos determinados caudales y estados de las dos corrientes de entrada. El comportamiento de entrada de la mezcla está gobernado por la ecuación: (balance de masa).
Ciclo Rankine
El vapor generado en la caldera en (1) con presión y temperatura elevados, se expande por la turbina para producir trabajo, descargándose en el condensador en (2) a baja presión. Aquí se transfiere el calor del vapor al H2O de refrigeración que circula en flujo separado. El vapor condensa y la temperatura del H2O de refrigeración aumenta. El líquido procedente del condensador (3) es bombeado desde la presión del condensador hasta la presión más alta de la caldera. El fluido de trabajo completa el ciclo cuando el líquido procedente de la bomba en (4) se calienta hasta la saturación y se evapora en la caldera.