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 LABORATORIO DE APLICACIONES DE PROPIEDADES DE LA MATERIA  1 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS” GONZALEZ VERDIN DIEGO, OCAMPO SANCHEZ JOSE. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES PLANTEL ARAGON INGENIERIA ELECTRICA ELECTRONICA LABORATORIO DE APLICACIONES DE PROPIEDADES DE LA MATERIA PRACTICA N. 5 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS NOMBRE DE LOS ALUMNOS: GONZALEZ VERDIN DIEGO OCAMPO SANCHEZ JOSE DE JESUS NOMBRE DEL PROFESOR: ING. ALEJANDRO RODRIGUEZ LORENZANA GRUPO: 7:30 A 9:00 FECHA DE REALIZACION: 06/OCT/2011 FECHA DE ENTREGA: 13/OCT/2011

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1 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

GONZALEZ VERDIN DIEGO, OCAMPO SANCHEZ JOSE.

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES

PLANTEL ARAGON

INGENIERIA ELECTRICA ELECTRONICA

LABORATORIO DE APLICACIONES DE PROPIEDADES DE LA MATERIA

PRACTICA N. 5

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

NOMBRE DE LOS ALUMNOS: GONZALEZ VERDIN DIEGO

OCAMPO SANCHEZ JOSE DE JESUS

NOMBRE DEL PROFESOR: ING. ALEJANDRO RODRIGUEZ LORENZANA

GRUPO: 7:30 A 9:00

FECHA DE REALIZACION: 06/OCT/2011

FECHA DE ENTREGA: 13/OCT/2011

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2 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

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Tabla de contenidoACTIVIDAD DEL ALUMNO. ..................................................................................................................4

CUESTIONARIO PREVIO. .................................................................................................................4

OBJETIVO:.......................................................................................................................................5

ACTIVIDADES: .................................................................................................................................6

MATERIAL Y/O EQUIPO: .................................................................................................................6SUSTANCIAS: ..................................................................................................................................6

ASPECTOS TEÓRICOS. .....................................................................................................................6

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: ..........................................................................................................9

ACTIVIDAD I: PRESIÓN ABSOLUTA DEL SISTEMA. .............................................................................10

ACTIVIDAD II: PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR SOBRECALENTADO. .........................11

ACTIVIDAD III: DETERMINACIÓN DE LA CALIDAD DE VAPOR EN LA CALDERA. .................................13

ACTIVIDAD IV: OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS EN LA CALDERA. .................13

DATOS ADICIONALES: ...................................................................................................................14

ACTIVIDAD V: METODO GRÁFICO. OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL

VAPOR DE AGUA. .............................................................................................................................14

TABLAS DE LECTURAS: ......................................................................................................................15

TABLA 5.1A ...................................................................................................................................15

MEMORIA DE CALCULOS: .................................................................................................................15

TABLAS DE RESULTADOS ..................................................................................................................17

Tabla 5.1B .....................................................................................................................................17

TABLA 5.2B ...................................................................................................................................17

TABLA 5.3B ...................................................................................................................................17

TABLA 5.4B ...................................................................................................................................17

TABLA 5.5B ...................................................................................................................................17

TABLA 5.6B ...................................................................................................................................18

CUESTIONARIO FINAL .......................................................................................................................18

CONCLUSIONES ................................................................................................................................19

BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................................20

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3 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

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LABORATORIO DE: APLICACIONES DE PROPIEDADES DE LA MATERIA.

TEMA: PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS.

SUBTEMA: INTERPOLACION LINEAL. LA DETERMINACION DE LAS

PROPIEDADES DEL AUGA

PERSONAL: PROFESORES DE LA ASIGNATURA O PERSONAL DOCENTECAPACITADO PARA IMPARTIR EL LABORATORIO.

LUGAR: LABORATORIO DE TERMODINAMICA.

NORMAS DE SEGURIDAD:

  TRABAJAR DENTRO DE LA LINEA DE SEGURIDAD.

  NO COMER ALIMENTOS DENTRO DEL LABORATORIO.  MANEJAR CON PRECAUCION EL EQUIPO PARA EVITAR QUEMADURAS.

EQUIPO DE SEGURIDAD:

  BATA DE LABORATORIO.

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 ACTIVIDAD DEL ALUMNO.

CUESTIONARIO PREVIO.

1.- ¿Qué es una sustancia de trabajo? Indica cuatro tipos

Es también llamado sistema termodinámico, es la parte del universo la cual aislamos para suestudio.

Este puede ser abierto, aislado y cerrado.

2.- ¿Qué es un estado termodinámico?

Condición del sistema para la cual han sido asignado valores numéricos a los grados delibertad(número mínimo de números reales que es necesario especificar para determinarcompletamente el estado físico).

3.- ¿En cuántas partes se dividen las tablas de vapor?

En tres temperatura, presión y vapor saturado.

4.- De tablas de vapor. En la parte donde se entra con temperatura. ¿Por qué se tiene propiedadesde líquido, vapor y mezcla?

En la primera, dado que al calentarse el agua el volumen será mayor (se convertirá en vapor )secontempla esas fases.

5.-De tablas de vapor. En la parte donde se entra con presión. ¿Por qué se tiene propiedades delíquido, vapor y mezcla?

En la segunda, tiene que ver con que es la temperatura a la cual se alcanza la temperatura de

ebullición al aumentar la presión ya que son directamente proporcionales.

6.-De tablas de vapor. En la parte donde se entra con temperatura y la presión. ¿Por qué no setiene propiedades de líquido, vapor y mezcla?

Como la región de vapor sobrecalentado es de una sola fase (vapor), la temperatura y la presiónya no son propiedades dependientes

7.-¿Explicar cuáles son las fases de una sustancia de trabajo?

Fase liquida, gaseosa (vapor),solida aunque existe fases “intermedias”

8.-¿Cuál es el vapor saturado y el vapor sobrecalentado?

El vapor saturado es aquel el cual depende de la temperatura, y en condiciones especiales sepuede encontrar en la fase liquida.

El vapor sobrecalentado es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición.

9.-¿A qué se le denomina calidad de vapor?

Cantidad de vapor saturado en una muestra, es el cociente de la masa de vapor y masa de lamezcla

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mescla

vapor 

m

m x

 

10. ¿Qué tipo de calor tenemos en estado de saturación?

Calor fusión ya que es la cantidad de energía necesaria para hacer que unmol de un elemento quese encuentre en su punto de fusión

11.- ¿Qué tipo de calor tenemos en estado de sobrecalentado?

El calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, desólido a líquido

12.- ¿Se llegara a presentar un estado de sublimación en las tablas de vapor? Explique.

No dado que no se contempla el estado solido.

OBJETIVO:El alumno:

a) Determinará las propiedades termodinámicas de una sustancia a partir de un calorímetro deestrangulamiento.

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 ACTIVIDADES:1) Determinar la presión absoluta en la caldera y en el calorímetro.

2) Calcular las propiedades termodinámicas en el calorímetro.

3) Obtener la calidad de vapor en la caldera.

4) Calcular las propiedades termodinámicas del vapor de agua en la caldera.

5) Determinar las propiedades termodinámicas del vapor de agua en el calorímetro y en la calderapor medio del diagrama T-s.

MATERIAL Y/O EQUIPO:Planta de vapor marca “GILKENS”.

Termómetro de 0 a 200 oC.

SUSTANCIAS:

Agua.

 ASPECTOS TEÓRICOS.

Diagramas de fase.- 

Es un diagrama que muestra el comportamiento de una sustanciasimple compresible. Por ejemplo, la siguiente figura muestra el calentamiento de unasustancia a presión constante, donde la sustancia original esta en su fase sólida, es decir,en su estado 1.Cuando al sólido se le suministra energía se calienta y consecuentemente aumenta sutemperatura y volumen específico(figura 5.1), esto ocurrirá mientras se siga suministrandoenergía, hasta que la sustancia alcance la temperatura de fusión (Tf) correspondiente a la presióna la que se realiza el experimento, hasta el punto donde la temperatura ya no aumenta, es decir,permanece constante, caso contrario a lo que le sucede al volumen específico, es decir, continuaaumentando, esto se debe a

que cuando la sustancia alcanza la temperatura de fusión (Tf) empieza a cambiar de fase, de sólidoa líquido (fusión), y mientras el cambio de fase no concluya la temperatura permanece constante(T2=T3).

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El punto 2, donde empieza el sólido a cambiar de fase se conoce como “sólido saturado”, y el

punto 3 como “líquido saturado”. Sí se continua suministrando energía a la sustancia en el punto

3, donde ya toda la sustancia es líquido, volverá a incrementarse su temperatura y su volumenespecífico hasta alcanzar la temperatura de ebullición o de vaporización (Tv). Al alcanzar dichatemperatura, la sustancia vuelve a cambiar de fase, de líquido a gas o vapor, y durante todo elcambio de fase la temperatura del vapor permanece constante, es decir, T4=T5=Tv. Al líquido en elpunto 4 también se le llama “líquido saturado”, la diferencia entre los puntos 3 y 4, es que se

encuentra uno se encuentra saturado con respecto al sólido y el otro con respecto al vapor,además T4>T3, eso es porque siempre Tv>Tf.

Cuando se conjuntan los diagramas T-v, T-p y p-v en uno sólo (figura 5.3), se obtiene un diagramatridimensional conocido como “superficie p-v-T” de la sustancia en cuestión. Los valores de

p,v,T,u, h y otras propiedades se determinan mediante el uso de ecuaciones de estado, y laexperimentación, estos valores se han tabulado y graficado en las “tablas y gráficas

termodinámicas”. Estas facilitan el análisis y resolución de muchos problemas de termodinámica.Son de particular interés las tablas de vapor saturado y sobrecalentado, así como los diagramasque comprenden los domos de vapor. Esto se debe a que el vapor de algunas sustancias, como elagua, el freón y el mercurio, son muy utilizados como sustancias de trabajo en muchos dispositivosy máquinas térmicas.

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Vapor.- Es el gas que resulta de la vaporización de un líquido o de la sublicuación de un sólido. Laaplicación de calor a un líquido sujeto a presión, da lugar a un cambio de estado físico, es decir, ellíquido se convierte en vapor. Sí se continúa aplicando calor hasta la que la última partícula del

líquido se haya evaporado, resulta vapor saturado y seco.

El vapor puede adquirir tres formas:

Vapor saturado.- Se obtiene cuando la presión del vapor depende únicamente de la temperatura,y en condiciones especiales, el vapor se puede encontrar en equilibrio con la fase líquida.

Vapor seco.-Se obtiene cuando la fase líquida ha desaparecido totalmente. Esto se logra cuandoincrementamos la temperatura al vapor saturado, sin que este llegue a alcanzar la temperaturacritica.

Vapor recalentado.- Es el vapor de agua empleado como fuerza electromotriz, este se obtiene, al

calentar el vapor seco, siempre por debajo de la temperatura critica.

Vaporización.- Es el proceso para convertir el agua en vapor, dentro del recipiente cerradollamado caldera. Para obtener una buena vaporización es necesario la circulación del agua. El aguadebe circular, porque si permanece estable rápidamente alcanzaría su estado esferoidal y el metalde la caldera que constituye la superficie de calefacción, se quemaría debido a la intensidad delcalor que esta soportando sin refrigeración. “El estado esferoidal” es la condición física queadquiere el agua, cuando al estar en contacto con un metal a grandes temperaturas, se transformaen numerosas gotas esféricas.

Calidad del vapor.- Representa la cantidad de vapor que se encuentra en la mezcla saturada; esdecir, la razón de la masa de vapor a la masa de la mezcla:

   

Humedad del vapor.- Es el porcentaje de agua contenida en un vapor saturado y húmedo.

Combustión.- Es la oxidación rápida del carbono contenido en un combustible con el oxígeno delaire. Los productos de la combustión son: calor, luz y gases quemados.

Calorímetros.- Son los aparatos que miden experimentalmente la calidad de los vapores húmedos.

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Calorímetro de estrangulación.- Un calorímetro de estrangulación para vapor es un instrumentoutilizado para determinar la calidad del vapor húmedo que fluye por un cabezal. Sufuncionamiento se basa en el hecho de que cuando el vapor húmedo se estrangulasuficientemente, se forma vapor sobrecalentado.

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:

1. Observar la figura y cotejarla con el equipo de laboratorio.

2. Revise que haya suministro de agua.

3. Asegúrese que el nivel de agua en la caldera sea el adecuado, verificando en el indicador denivel que sea su máximo permisible.

4. Compruebe que el equipo se encuentre conectado a la toma de corriente.5. Abra muy poco el sistema de agua de enfriamiento.

6. Accione los interruptores de las resistencias eléctricas, estos se encuentran en el panel delequipo.

7. Espere a que la temperatura y la presión empiecen a incrementarse, cuando esto suceda, abrala válvula de control de flujo de vapor para purgar el aire que

se encuentra dentro de la caldera.

8. Cierre la válvula de control del flujo de vapor y espere a que la presión en el manómetro se

incremente hasta 300 kN/m2. Anote las lecturas de la presión y la temperatura en la caldera y delcalorímetro en la tabla 5.1A.

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Una vez tomadas las lecturas:

9. Apague las resistencias.

10. Abra las válvulas de control de la caldera y el calorímetro para que el vapor escape.

11. Una vez que ya no salga vapor, cierre la válvula de enfriamiento.

12. Desconecte el equipo del suministro eléctrico.

13. Mida la presión atmosférica en el barómetro del laboratorio.

 ACTIVIDAD I: PRESIÓN ABSOLUTA DEL SISTEMA.

Con el dato obtenido de la presión atmosférica del laboratorio, calcula la presión absoluta en bar,en la caldera. Anotar su valor en la tabla 5.1A.

 

Donde:

= presión absoluta en la caldera (bar)

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= presión atmosférica (bar)

= presión de la caldera (bar)

 ACTIVIDAD II: PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL VAPORSOBRECALENTADO.Realizando el estudio en el calorímetro de estrangulamiento y aplicando la Primera Ley de laTermodinámica, se concluye que el proceso interno que se lleva a cabo en el calorímetro, esIsoentálpico, es decir que: h1=h2. Aplicando la Primera Ley de la Termodinámica.

 

 

Haciendo el análisis correspondiente, se concluye que:

Q= 0, debido a que no se suministra calor al sistema

W=0, ya que el sistema no entrega trabajo

=0, ya que tanto en la caldera como en el calorímetro es prácticamente la misma temperaturay presión

=0, debido a que no hay variación de la velocidad del fluido a la entrada y a la salida delmismo.

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DONDE:

= incremento de energía interna(joules,ergios)

Wf= trabajo de flujo (joules, ergios)

Aplicada a la entrada y salida del calorimetro

 

Y de la energía térmica especifica:

 

Empleando la definición de la entalpia, tenemos:

 

 

 

Por lo tanto:

( ) ( )  

 

Esto implica que el proceso si es isoentálpico, es decir:  

O bien:

 

Esto queda representado en un diagrama T-s como: Lo cual indica que en el punto 2 el vapor seencuentra sobrecalentado y la entalpía se puede determinar en tablas de vapor sobrecalentadocon la Presión atmosférica (P2) y la Temperatura en el calorímetro (T2). Determinar con la P2 y T2,en tablas de vapor sobrecalentado: la entropía (s2), entalpía (h2), el volumen específico (v2) y laenergía interna (u2).

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 ACTIVIDAD III: DETERMINACIÓN DE LA CALIDAD DE VAPOR EN LACALDERA.

Para determinar la calidad de vapor en la caldera, consideremos:

() 

Despejando x1, nos queda:

 

Consideramos:  

 

Se obtinene en tablas de vapor con la presión absoluta de la caldera.

 ACTIVIDAD IV: OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADESTERMODINÁMICAS EN LA CALDERA.

() 

( ) 

() 

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14 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

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Donde la calidad del vapor se determinó en la actividad No. III y las otras variables se obtienen detablas de vapor saturado con la P1. Anotar los datos obtenidos en la tabla 5.3B. Con los datos de latabla 5.3A. Calcular: h,v,s,u; anotar los resultados en la tabla 5.4B.

DATOS ADICIONALES:

 ACTIVIDAD V: METODO GRÁFICO. OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADESTERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA.Se les pide determinar las propiedades termodinámicas a través del diagrama T-s que se anexa alfinal de la práctica (llenar la tabla 5.5B y 5.6B). Al final coteje sus resultados con los obtenidos através de tablas de vapor.

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TABLAS DE LECTURAS:

TABLA 5.1ACONCEPTO

CALDERA CALORIMETRO ATMOSFERA

UNIDADE

S

PRESION(Kn/

m2)

TEMPERATURA(

°C)

PRESION(mm

Hg)

TEMPERATURA(

°C)

PRESION

(mmHg)LECTURA 300 100 0 100 590

MEMORIA DE CALCULOS:

ACTIVIDAD 1

Presión de la caldera: 300 

Presión calorímetro= 0mmHg

Presión atmosférica= 590 mmHg

CALCULO DE PRESIONES ABSOLUTAS EN LA CALDERA.

Presion de la caldera = 300 = 3 bar

Presión atmosférica =

 

Presión absoluta de la caldera= presión absoluta + presión calorímetro

=3 bar + 0.78640 bar

=3.78640 bar

Presión absoluta calorímetro= presión atmosférica + presión caldera

=0 + 0.78640 bar

= 0.078640 bar

ACTIVIDAD 2

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P bar H (kj/kg)0.750.78640.8

2679.39H22678.759

H2=

() () ()  

() ()

 

()

 

 

()()  

ACTIVIDAD 3

()

 

()

 

 

()  

()

 

 

()

 

 

()

 

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17 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

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ACTIVIDAD 4

()  

()()  

()()  

 

()()  

TABLAS DE RESULTADOS

Tabla 5.1BCONCEPTO SIMBOLO UNIDAD PRESION

 ABSOLUTA

CALDERA Pabs-caldera Bar 3.78640

TABLA 5.2BCONCEPTO H2 V2 S2  U2 

UNIDADES Kj/kg M3/kg Kj/kg°C Kj/kg

CALORIMETRO 2678.4278 2.16525 7.47873 2672.53

TABLA 5.3BCONCEPTO VL1 VG1 VGL1 HL1 HGL1 SL1 SGL1 X1 

UNIDADES M3/KG M3/KG M3/KG KJ/KG KJ/KG KJ/KG°k KJ/KG°k %

CALDERA 1.0817x10-

3 .9867 .48577 596.21066 2138.94 6.4368 0.0188 97.37

TABLA 5.4BCONCEPTO S1 V1 U1 H1 UNIDADES KJ/KG°k M3/KG KJ/KG KJ/KG

CALDERA 0.02486 0.475949 2498.5755 2678.4278

TABLA 5.5BCONCEPTO S2 V2 U2 H2 

UNIDADES KJ/KG°K M3/KG KJ/KG KJ/KG

CALORIMETRO        

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18 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

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TABLA 5.6BCONCEPTO S1 V1 U1 H1 

UNIDADES KJ/KG°K M3/KG KJ/KG KJ/KG

CALORIMETRO        

CUESTIONARIO FINAL

1. ¿Cuáles son los problemas que se pueden presentar en la operación de una caldera?

2. ¿Qué precauciones deben tomarse al encender una caldera?

3. ¿Cómo se mide la presión absoluta en una caldera?

Tomando en cuenta la presión atmosférica y la presión de la caldera para después sumarlas yobtener la presión absoluta.

4. ¿Qué relación existe entre la variación del peso del agua con el aumento de temperatura en unacaldera para su buen funcionamiento?

Si el peso del agua es alto quiere decir que la calidad del vapor no es muy buena, si se aumenta latemperatura disminuye el peso del agua y aumenta la calidad del vapor y con esto funciona mejoruna caldera.

5. ¿Qué sucede cuando la vaporización del agua tiene lugar en un recipiente cerrado y se leaumenta su temperatura?.

Aumenta la presión dentro del recipiente.

6. ¿A qué se debe la circulación térmica del agua? De un ejemplo.

A la energía solar. Cuando hace mucho calor el agua se evaporiza, cuando el calor disminuye elagua que se hizo vapor se condensa y se precipita en forma liquida. Si la temperatura es muy bajael agua se hace hielo.

7. En cuantas formas se transmite el calor en una caldera.

Conducción, convección y radiacion

8. ¿Cómo pueden clasificarse las calderas?

Por el tipo de combustible que usan: solido, liquido y gaseoso.

Por la circulación del agua: natural, asistida, forzada

Por el intercambio de calor: radiantes, convectivos, de calentamiento indirecto.

9. ¿Cuáles son las bombas que se usan para alimentar de agua calderas y generadores de vapor?¿Cuál es el tipo más usado?

Bombas de alimentación de agua.

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19 PRACTICA N. 5 “PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS”

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10. ¿Qué es una máquina de vapor?

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica deuna cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

  1 Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce laexpansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo debiela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma enun movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o elrotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna asu posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante deinercia. 

  2 El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida queregulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

CONCLUSIONES

Dado que la práctica no tubo parte experimental los errores que se presentan por que se calibranmal los instrumentos evidentemente no se dieron. La practica se realizo de forma totalmenteteórica por que lo se supone no se incurrieron el errores .Algunas preguntas del cuestionario finalno se pudieron contestar dado que nunca se tubo contacto con los instrumentos y maquinas.

Mediante el uso de tablas de vapor de agua se calcularon variables tales como entropía , presionesy volúmenes.

Se uso la interpolación como recurso para determinar de forma teórica las variables dichas conanterioridad.

Se determino la calidad del vapor en la caldera lo cual arrojo resultados en términos deporcentajes muy altos (análisis detallado en la memoria de cálculos).

Como ultima actividad se determinaron las propiedades termodinámicas por medio de el

diagrama T-S (método grafico), así como de la forma analítica.

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GONZALEZ VERDIN DIEGO, OCAMPO SANCHEZ JOSE.

BIBLIOGRAFIA

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http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_vapor

http://www.jmarcano.com/nociones/ciclo1.html

http://www.cnpml.org.sv/ucatee/ee/docs/bases_vapor.pdf 

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