act11 201015 23_borrador 2
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PROYECTO FINAL
Presentado por:VICKY CARDENAS COLORADO
CC 21.533.391
Grupo. 201015_23
Presentado a:RUBEN DARIO MUNERA TANGARIFE
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
MEDELLIN
JUNIO DE 2014
CONTENIDO
Página
INTRODUCCIÓN 3
1. OBJETIVOS 4
1.1 Objetivo General 4
1.2 Objetivos Específicos 4
2. LLUVIA DE IDEAS 5
2.1 Tormenta de ideas a cerca de diferentes procesos de elaboración de un producto 5
2.2 Selección del proceso para la elaboración del un producto 5
3. SISTEMAS TERMODINÁMICOS PARA LA ELABORACIÓN DE EL DULCE DE MANZANA 6
4. CALCULO DE CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA ELABORACIÓN DEL PRODUCTO 7 4.1 Consumo energético utilizando el horno microondas 7 4.2 Consumo energético estufa a gas 9 5. CALCULO DE TRABAJO PARA LA ELABORACIÓN DEL PRODUCTO 10
5.1 Calculo trabajo elaboración dulce de manzana usando el horno microondas 11
5.2 Calculo trabajo elaboración del dulce usando la estufa a gas 13
6. CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPÍA 14
6.1 Calculo cambio de entropía proceso elaboración con el horno microondas 14
6.2 Calculo cambio de entropía proceso elaboración con la estufa a gas 19
7. CALCULO ENERGÉTICOS CON LA PRIMERA LEY DE TERMODINÁMICA 20
7.1 Calculo termodinámico proceso horno microondas 21
7.2 Calculo termodinámico proceso estufa a gas 26 8. CICLOS TERMODINÁMICOS EN LA OPERACIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DEL PRODUCTO 27
CONCLUSIONES 29
BIBLIOGRAFÍA 30
INTRODUCCION
La termodinámica es la ciencia que se ocupa del estudio de la energía y sus transformaciones. En especial estudia todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo. La termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: Principio Cero (permite definir la temperatura como una propiedad), Primer Principio el cual define el concepto de energía como magnitud conservativa, Segundo Principio define la entropía como magnitud no conservativa y medida de la dirección de los procesos, por último el Tercer Principio postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.
El curso de termodinámica presenta dos unidades; la primera unidad denominada ley cero, trabajo y primera ley de la termodinámica y la segunda unidad; segunda ley y aplicaciones de la termodinámica. Durante el desarrollo del curso se reconocen diferentes conceptos y se identifican diversas fórmulas y procedimientos importantes para el estudio de la termodinámica y su aplicación en el área profesional.
Con el desarrollo del trabajo se logra interiorizar las temáticas propuestas en el curso y se aplican los diferentes conceptos aprendidos durante el trascurso del programa de termodinámica para la elaboración del dulce de manzana, proceso casero al cual se determina el consumo de energía durante su elaboración, el trabajo realizado, cambio de entropía, se aplica la primera ley hallando los cálculos energéticos y determinan el ciclo termodinámico para la operación del proceso.
Lo anterior permite que como futuros profesionales identifiquemos los procesos termodinámicos llevados a cabo en la vida cotidiana y se apliquen los conocimientos para la solución de problemas a nivel laboral.
A continuación se presenta el desarrollo de la guía de la actividad 11 “Evaluación final”.
1. OBJETIVOS
1.1 General
Aplicar los diferentes conceptos termodinámicos en la elaboración del dulce de manzana.
1.2 Específicos
Afianzar conceptos aprendidos durante el curso de termodinámica.
Utilizar las diferentes fórmulas para hallar los cálculos termodinámicos correspondientes a la temática del curso.
Realizar una lluvia de ideas entre los integrantes del grupo y seleccionar un producto para aplicar los conceptos termodinámicos.
Identificar los procesos termodinámicos llevados a cabo en la elaboración del dulce de manzana.
Calcular el consumo de energía para la preparación del dulce de manzana.
Realizar cálculo del trabajo en la elaboración del producto.
Determinar el cambio de entropía en el proceso de elaboración del dulce de manzana.
Aplicar la primera ley de termodinámica para hallar cálculos energéticos.
Determinar el ciclo termodinámico para la operación del proceso de elaboración de dulce de manzana.
2. Fase 1. LLUVIA DE IDEAS
2.1 Tormenta de ideas acerca de diferentes procesos de elaboración de un producto.
Proponente Ideas elaboración de Productos
Producto seleccionado
Vicky Cárdenas Colorado Elaboración industrial de una compota para bebé.
Elaboración industrial de una compota para
bebé.
Teresa Parra Elaboración industrial de una compota para bebé.
Yeny Lucero Ruiz Aplicación del ciclo de refrigeración por compresión.
Nidia Raquel MontealegreMarta Alicia Rúa Elaboración industrial de una
compota para bebé.
Para la fase 1 luego de hacer la lluvia de ideas por cada una de las integrantes se llegó a la conclusión de elegir el proceso industrial de una compota para bebé, con el cual no permitirá aplicar los conceptos teóricos prácticos de la termodinámica, estudiados durante el curso.
La elaboración industrial de una compota para bebé involucra varios procesos termodinámicos que a continuación analizaremos.
LÍNEA DE PROCESO
Resección de materia prima: Llegada delas materias primas requeridas.
Selección: Se procede a descalificar aquellas frutas que posean en su estructura imperfecciones que puedan afectar la producción provenientes de golpes, magulladuras o con cierto grado de fermentación.
Lavado: Se elimina la suciedad que está en la corteza de la fruta, pues son una fuente de contaminación como lo es el barro, materia fecal, etc.
Desinfección: Se hace mediante la mezcla de hipoclorito de sodio y agua esto garantiza que se pueda eliminar la flora bacteriana patógena que pueda alterar la calidad del producto final, esto proporcionaría pérdidas económicas y problemas jurídicos.
Picado: Consiste en trocear la fruta en pedazos pequeños pidiendo extraer de ella las semillas y perdida de pedúnculo, entre más pequeños sean los trozos menor tiempo de cocción se requerirá.
Escaldado: Consiste en sumergir los trozos de fruta a tratamiento térmico para obtener un ablandamiento celular, resaltar el sabor, mejorar el color. Se evitara el pardea miento en la fruta pues se inactivaran la enzimas (coloración oscura). También se inhibirá la flora bacteria presente dentro de la fruta. El tiempo de escaldado dura entre 8 a 10 minutos, si no se tiene un cuidado la fruta perderá todas sus características organolépticas y no servirá para producir.
Pelado: Esta operación se podrá realizar por medio de un cuchillo en acero inoxidable entre más cocción la pulpa se retirara más fácilmente de la concha.
Despulpado: Consiste en obtener la pulpa de la fruta por medio de una despulpadora o una licuadora, si se utiliza esta última se deberá de hacer en mínimas cantidades para no forzarla licuadora, al total de la pulpa obtenida se le agrega el 10% de agua para facilitar su licuado.
Cocción: Esta consiste en la mezcla del azúcar, fécula de arroz y la pulpa (la mitad del total de azúcar más el ácido cítrico), es la operación más importante pues esta garantizara las características normales de la compota, por lo tanto se recomienda mucho cuidado. El tiempo de cocción depende del tipo y variedad de fruta. Una cocción excesiva produce coloraciones oscuras pues los azucares se caramelizan.
Adición de aditivos: Una vez empezado el proceso de cocción y se haya reducido un porcentaje de agua considerable se procede a la adición de la otra mitad de azúcar y el CMC (carboxi metil celulosa) la cantidad de azúcar se calcula de acuerdo al total de la fruta.
Esta debe ser agitada permanentemente para evitar que se queme y se pegue a las paredes de la marmita lo que ocasiona olor y sabor a ahumado, la cocción debe realizarse a llama lenta.
Envasado: Se debe hacer a una temperatura de 85°C, se debe dejar un vacío para que el sellado sea el adecuado. Se utilizara una embudo para facilitar la entrada de la mezcla caliente a el frasco, los frascos deben estar previamente lavados, esterilizados. Para garantizar el vacío en el sellado se vierte en una olla con agua caliente, el vapor producido hará que se extraiga todo el oxígeno
presente entre el espacio de la boca del frasco hasta donde se encuentra el producto.
Choque térmico: Consiste en sumergir totalmente y de forma rápida los frascos en agua fría (con hielo) o en el chorro del grifo produciendo un cambio brusco de temperatura para ampliar la vida útil del producto. Durante 5 a 10 minutos.
Etiquetado: Se identificara el producto con una marca y demás especificaciones requeridas.
Conservación: Se almacenara en un lugar fresco, limpio y seco, con suficiente ventilación a fin de garantizar la conservación del producto por más tiempo.1
3. SISTEMAS TERMODINAMICOS PARA LA ELABORACION DEL PRODUCTO
Para la elaboración de la compota para bebe presentan los siguientes sistemas termodinámicos.
Proceso Sistema termodinámicoEscaldado Proceso Isobárico
Despulpado o trituración Proceso Isobárico
Cocción Proceso Isobárico
Refrigeración Proceso Isobárico e Isocórico
4. DEFINICION SEL SISTEMA TERMODINAMICO, LIMITES DEL SISTEMA Y SUS ALREDEDORES.
5. CÁLCULOS TERMODINÁMICOS (CALOR Y TRABAJO)
5.1 Consumo energético de estufa de gas (Escaldado y cocción)
1 http://alimentoswfcr.blogspot.es/1287321120/elaboraci-n-de-compota/
El tiempo total estimado para el escaldado es de 10 minutos más 40 minutos del proceso de cocción.
Se considera el consumo promedio para un fogón de gas equivalente a 0.1319 m³/hr y la equivalencia energética por cada metro cubico de gas es 1 m³ = 11.012 Kw-h.
Con los datos anteriores se calcula el consumo energético para este proceso:
E=(0.1319 m3
hr)(11.012 Kwh
m3)(50min)( 1hr
60min)
E=1.210Kwh
5.2 Consumo energético licuadora
Marca: Oster
Voltaje de Operación: 120 - V/60 Hz
Potencia Nominal: 600 W
Tiempo aproximado de operación: 3 minutos
E=P∗t
Donde P = 600 W y t = 3 min
E=(600W )( 1Kw1000W
)(3min)( 1hr60min
)
E=0.03 Kwh
5.3Consumo energético refrigerador
Marca: Kenmore
Voltaje de Operación: 120 V/ 60 Hz
Potencia Nominal: 103 W
Corriente Nominal: 0.86 A
Tiempo aproximado de refrigeración del producto: 8 horas
E=P∗t
Donde P = 103 W y t = 4 horas
E=(103W )( 1Kw1000W
)(4 hr)
E=0.412Kwh
Consumo total de energía
Etotal=EEstufa+ETriturador+ERefrigerador
Etotal=1.210Kwh+0.03 Kwh+0.412Kwh
Etotal=1.652Kwh
6. CÁLCULOS DE CAMBIO DE ENTROPÍA PARA EL SISTEMA TERMODINÁMICO.
7. CÁLCULOS TERMODINÁMICOS UTILIZANDO LA ENTALPÍA PARA EL SISTEMA. 8. DETERMINAR LOS CICLOS TERMODINÁMICOS NECESARIOS DE MANERA DIRECTA O INDIRECTA PARA EL SISTEMA.
4. CALCULO DE CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA ELABORACIÓN DE COMPOTA PARA BEBES.
Para realizar el cálculo del consumo energético durante la preparación del producto:
1. Se determinaron los datos de cada sistema por medio de los datos de placa del equipo o las especificaciones técnicas en el manual: como voltaje de operación (V), y corriente de operación (I). En los casos que no se cuento con los datos anteriores se toma la potencia del artefacto que es el producto del voltaje y la intensidad. P=V∗I .
2. Una vez obtenidos los datos se aplica la ecuación para la energía:
E=V . I . ∆t . o E=P∗∆t
Dónde:
E=EnergiaV=VoltajeI=Intensidad decorriente electrica (A )P=Potenciat=Tiempo
3. Al aplicar la ecuación se tiene en cuenta que ∆ t es el periodo efectivo que el equipo trabaja durante la elaboración del producto.
Consumo energético licuadora (Despulpado)
Marca: Oster
Voltaje de Operación: 120 - V/60 Hz
Potencia Nominal: 600 W
Tiempo aproximado de operación: 3 minutos
E=P∗t
Donde P = 600 W y t = 3 min
E=(600W )( 1Kw1000W
)(3min)( 1hr60min
)
E=0.03 Kwh
Consumo total de energía para la elaboración del dulce de manzana utilizado el horno microondas.
Finalmente, el consumo total para este proceso de elaboración usando el horno microondas es:
Etotal=EHorno+ETriturador+ERefrigerador
Etotal=0.475Kwh+0.03 Kwh+0.412 Kwh
Etotal=0.917Kwh
4.2 Consumo energético estufa a gas.
Para este proceso evaluamos el tiempo de cocción de las manzanas y el tiempo de elaboración del dulce una vez trituradas las manzanas y mezclado los demás ingredientes.
Tiempo total estimado: Tiempo de cocción inicial (20 minutos) mas el tiempo de elaboración final (30 minutos).
Se considera el consumo promedio para un fogón de gas equivalente a 0.1319 m³/hr y la equivalencia energética por cada metro cubico de gas es 1 m³ = 11.012 Kw-h
Con los datos anteriores se calcula el consumo energético para este proceso:
E=(0.1319 m3
hr)(11.012 Kwh
m3)(50min)( 1hr
60min)
E=1.210Kwh
Para estimar el consumo de gas natural en m³ se procede de la siguiente forma:
Consumo degas=(1.210 Kwh)( 1m3
11.012Kwh)
Consumo degas=0.11m3
En la elaboración del dulce de manzana utilizando la estufa a gas, igualmente se usa la licuadora y el refrigerador por lo tanto se dan los mismos consumos energéticos anteriores.
Consumo total de energía para la elaboración del dulce de manzana utilizado la estufa a gas.
Finalmente, el consumo total para este proceso donde utilizamos la estufa a gas natural es:
Etotal=EEstufa+ETriturador+ERefrigerador
Etotal=1.210Kwh+0.03 Kwh+0.412Kwh
Etotal=1.652Kwh
5. CALCULO DE TRABAJO PARA LA ELABORACIÓN DEL PRODUCTO.
Para hallar el trabajo realizado durante cada proceso termodinámico se llevó a cabo la elaboración del dulce de manzana utilizando horno microondas y estufa a gas, durante el proceso se tomaron datos importantes como presión, volumen y temperatura.
5.1 Calculo trabajo elaboración dulce usando el horno microondas
Proceso de cocción inicial en el horno microondas (Proceso Isobárico): Poner las manzanas en el microondas en un recipiente tapado sin agua y cocer durante 10 minutos. El proceso termodinámico para el horno microondas se puede considerar isobárico.
Para el análisis de un proceso isobárico se tiene en cuenta que la presión es constante (presión atmosférica), y adicionalmente hay cambio en el volumen.
W=P∆V=P (V final−V inicial)
Presión = 723 mmHg = 96391.8 Pa (Tomado del reporte de estado del tiempo local)
Para calcular los volúmenes inicial y final, utilizamos un recipiente aforado que nos permita medir el volumen antes y después de efectuado el proceso de cocción y así poder determinar el cambio de volumen aproximado. Aclaramos que este cálculo es aproximado pues no es tan sencillo estimar el volumen de la manzana al ser picada en trozos pequeños pero nos da una aproximación del volumen inicial y final.
Volumen Final = 650 ml = 0.65 lt = 0.00065 m³
Volumen Inicial =1000 ml = 1.00 lt = 0.001 m³
W=(96391.8Pa)(0.00065m3−0.001m3 )
W=−33.737 Julios=−0.034KJ Se realiza trabajo sobre el sistema
Proceso de enfriamiento de las manzanas hasta temperatura ambiente (Isobárico – Isocórico):
Este proceso se da a presión constante pero sin cambio de volumen pues este también es constante.
P = 96391.8 PaT1 = 81 °CT2 = 22,6 °CV = 650 ml
Proceso isocórico: El trabajo es cero. W=0
Proceso isobárico: No hay cambio de volumen.
W=P∆V=P (0 )=0
Proceso de triturado y mezcla de los demás ingredientes (Isobárico).
P = 96391.8 PaV1 = 650 ml = 0,65 L x 1m3/1000 L = 0,00065 m3
V2 = 850 ml = 0,85 L x 1m3/1000 L = 0,00085 m3 T = 19,6 °C
W=P (V 2−V 1 )
W=96391.8Pa (0,00085−0,00065 )m3
W=19,278Pa .m3W=19,278 J El sistema realiza trabajo.
Proceso de cocción de la mezcla en horno microondas (Isobárico )
Se da la cocción de la mezcla durante 20 minutos en el microondas.
P = 96391.8 Pa V1 = 850 ml = 0,85 L x 1m3/1000 L = 0,00085 m3 V2 = 650 ml = 0,65 L x 1m3/1000 L = 0,00065 m3
W=P (V 2−V 1 )
W=96391.8Pa (0,00065−0,00085 )m3
W=−19,278Pa .m3W=−19,278 J=−0.019KJ Se realiza trabajo sobre el sistema.
Proceso enfriamiento de la mezcla a temperatura ambiente (Isobárico e Isocórico )
Se puede considerar un proceso isobárico e isocórico:
Proceso isocórico: El trabajo es cero.W=0
Proceso isobárico: No hay cambio de volumen.
W=P∆V=P (0 )=0
Proceso refrigeración de la mezcla (Isobárico e Isocórico):
Se puede considerar un proceso isobárico e isocórico:
Proceso isocórico: El trabajo es cero.W=0
Proceso isobárico: No hay cambio de volumen.
W=P∆V=P (0 )=0
5.2 Calculo trabajo elaboración dulce usando la estufa a gas.
Para la elaboración del dulce de manzana con la estufa a gas, se tomaron en cuenta los mismos seis (6) procesos y estos fueron los datos tomados para cada uno de los procesos.
Presion [Pa ] V inicial [m3 ] V final [m3 ]Cocción Inicial 96391.8 0.0012 0.00065Enfriamiento 96391.8 0.00065 0.00065Mezcla Ingredientes 96391.8 0.001569 0.0013125Cocción Final 96391.8 0.0013125 0.0007Enfriamiento 96391.8 0.0007 0.0007Refrigeración 96391.8 0.0007 0.0007
Estos fueron los resultados obtenidos para el trabajo realizado en cada uno de los seis (6) procesos termodinámicos:
Ecuacion W [KJ ]Cocción Inicial W=P∆V - 0.053Enfriamiento W=P∆V 0Mezcla Ingredientes W=P∆V -0.0235Cocción Final W=P∆V -0.059Enfriamiento W=P∆V 0Refrigeración W=P∆V 0
6. CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPÍA. La entropía es la propiedad termodinámica que se encuentra asociada al estado de aleatoriedad de las partículas de un sistema. Los procesos que se dan en la elaboración del dulce de manzana son irreversibles por lo tanto para realizar el cálculo de la entropía se aplica la siguiente ecuación:
∆ S=m.c . ln(T2T1 )
Se considera el calor específico de la manzana c=0.87KJ
Kg∗℃
De forma similar a los cálculos para el trabajo desarrollados en el numeral anterior, se efectúan los cálculos teniendo en cuenta los dos procesos de elaboración del producto seleccionado (horno microondas – estufa a gas natural).
6.1 Cálculos cambio de entropía proceso elaboración con el horno microondas.
Proceso de cocción inicial en el horno microondas
Aplicamos la siguiente ecuación:
∆ S=mcln( T final
T inicial)
Donde:
m=masamanzana=0.650Kg
c=calor especificomanzana=0.87 KJKg∗° K
T inicial=19.4℃=292.4 ° K
T final=81.0℃=354.0 ° K
∆ S=(0.65Kg)(0.87 KJKg∗° K ) ln( 354.0 °K292.4 ° K )
∆ S=0.108 KJ° K
Adicionalmente, debemos tener en cuenta que en este proceso se genera evaporación de agua producto de la deshidratación que sufre la manzana al ser sometida a un incremento en la temperatura.
Aplicamos la siguiente ecuación para hallar el cambio de entropía en el proceso de evaporación del agua:
∆ S=mevap LvT
mevap=masadeaguaque seevapora=95gr=0.095Kg
Lv=Calor latente deevaporacion parael agua=2257KJKg
T=temperaturadeebullicon omaxima enel proceso=354.0 ° K
∆ S=(0.095 Kg)(2257 KJKg )
354.0 ° K=0.606 KJ
° K
Finalmente el cambio total de entropía para este proceso será:
∆ S=0.108 KJ° K
+0.606 KJ° K
=0.714 KJ°K
Enfriamiento manzana hasta la temperatura ambiente
m=masamanzana=0.555Kg
c=calor especificomanzana=0.87 KJKg∗° K
T inicial=81.0℃=354.0 °K
T final=22.6℃=295.6 ° K
∆ S=(0.555Kg)(0.87 KJKg∗° K ) ln( 295.6 °K354.0 °K )
∆ S=−0.087 KJ°K
Triturado y mezcla de los demás ingredientes
Se puede decir que es cero, por que no hay cambio en la temperatura durante el proceso.
Matemáticamente lo podemos comprobar:
∆ S=0
Cocción de la mezcla total
Aquí se da la mezcla de varios productos, entonces se debe calcular un calor específico promedio para la mezcla, usando el porcentaje de cada ingrediente multiplicado por su respectivo calor especifico y dividir el total por la masa total. La expresión seria:
c prom=(cmzna∗mmzna )+(cazu∗mazu )+¿¿¿
Donde:
Cmzna=Calor especifico de lamanzana=0.87KJ
Kg∗° K
Cazu=Calor especifico del azucar=1.534KJ
Kg∗° K
Clim ¿=Calor especifico del limon=0.91 KJ
Kg∗°K¿
mmzna=masamanzana=0.555Kg
mazu=masaazucar=0.500 Kg
mlim ¿=masalimon=0.069Kg ¿
mtotal=masa total=1.124Kg
c prom=(0.87 KJ
Kg∗° K∗0.555Kg)+(1.534 KJ
Kg∗° K∗0.500Kg)+(0.91 KJ
Kg∗° K∗0.069 Kg)
1.124 Kg
c prom=1.168KJ
Kg∗° K
Aplicamos la siguiente ecuación para el cambio de entropía:
∆ S=mtotalc prom ln( T final
T inicial)
Donde:
mtotal=1.124Kg
c prom=1.168KJ
Kg∗° K
T inicial=22.8℃=295.8 ° K
T final=86.4℃=359.4 ° K
∆ S=(1.124Kg)(1.168 KJKg∗° K ) ln( 359.4 ° K295.8 ° K )
∆ S=0.256 KJ° K
Adicionalmente, debido a que también se presenta evaporación de agua en el proceso, debemos tener en cuenta el cambio de entropía en la evaporación.
∆ S=mevap LvT
mevap=masa deaguaque seevapora=245 gr=0.245Kg
Lv=Calor latente deevaporacion parael agua=2257KJKg
T=temperaturadeebullicon omaxima enel proceso=359.4 °K
∆ S=(0.245 Kg)(2257 KJKg )
359.4 ° K=1.539 KJ
°K
Finalmente el cambio total de entropía para este proceso será:
∆ S=0.256 KJ° K
+1.539 KJ°K
=1.795 KJ°K
Enfriamiento del dulce hasta la temperatura ambiente
Este proceso se considera isobárico o Isocórico y el cambio de entropía estaría dado por la siguiente expresión:
∆ S=mcprom ln( T final
T inicial)
Donde:
m=masadulce de manzana=0.807Kg
c prom=calor especifico promediomezcla=1.168KJ
Kg∗° K
T inicial=86.4℃=359.4 ° K
T final=20.2℃=293.2° K
∆ S=(0.807Kg)(1.168 KJKg∗°C ) ln( 293.2 °K359.4 ° K )
∆ S=−0.192 KJ° K
Refrigeración del dulce
Se aplica la ecuación ∆ S=mcprom ln ( T final
T inicial)
m=masadulce de manzana=0.807Kg
c prom=calor especifico promediomezcla=1.168KJ
Kg∗° K
T inicial=20.2℃=293.2 °K
T final=3.0℃=276.0 ° K
∆ S=(0.807Kg)(1.168 KJKg∗° K ) ln( 276.0° K293.2° K )
S=−0.057 K J° K
6.2 Cálculo cambio de entropía proceso elaboración con la estufa a gas.
Se toma como referencia los análisis efectuados para cada uno de los procesos con el horno microondas.
Se deben calcular los calores específicos promedio para la mezcla de manzana y agua en los dos primeros procesos donde se realiza el proceso de cocción inicial y el de enfriamiento.
c prom1=(cmzna∗mmzna)+(cagua∗magua )
mtotal
c prom1=(0.87 KJ
Kg∗° K∗0.650Kg)+(4.18 KJ
Kg∗° K∗0.500Kg)
1.150Kg
c prom1=2.309KJ
Kg∗°K
Luego se debe calcular el calor especifico promedio para la mezcla de todos los ingredientes:
c prom2=(cmezcla1∗mmezcla 1 )+(cagua∗magua )+(cazu∗mazu )+¿¿¿
c prom2=(2.309∗0.681 )+ (4.18∗0.300 )+(1.534∗0.500 )+(0.91∗0.069 )
1.550
c prom2=2.359KJ
Kg∗°K
Los datos tomados en los procesos se resumen en la tabla a continuación:
T inicial [℃ ] T final [℃ ] minicial [Kg ] mfinal [Kg ]Cocción Inicial 19.2 85.6 1.15 0.691Enfriamiento 85.6 21.4 0.691 0.691Mezcla 21.4 21.4 1.569 1.569
IngredientesCocción Final 19.6 91.8 1.569 0.748Enfriamiento 91.8 21.2 0.748 0.748Refrigeración 21.6 4.0 0.748 0.748
Estos fueron los resultados obtenidos para el cambio de entropía en cada uno de los seis (6) procesos termodinámicos:
Ecuaciones∆ S [ KJ°K ]
Cocción Inicial∆ S=mcprom1 ln( T final
T inicial)
∆ S=mevap LvT
0.544
2.896
Enfriamiento∆ S=mcprom1 ln( T final
T inicial) - 0.315
Mezcla Ingredientes∆ S=mcprom ln( T final
T inicial) 0
Cocción Final∆ S=mcprom ln( T final
T inicial)
∆ S=mevap LvT
0.816
5.079
Enfriamiento∆ S=mcprom ln( T final
T inicial) -0.378
Refrigeración∆ S=mcprom ln( T final
T inicial) -0.108
7. CALCULO ENERGÉTICOS CON LA PRIMERA LEY DE TERMODINÁMICA PARA EL PROCESO DE ELABORACIÓN DEL PRODUCTO.
En un sistema termodinámico, la ley de conservación de la energía puede expresarse así:
∆U=Q+W
Donde Q es la energía transferida como calor entre un sistema y su ambiente, debido a una diferencia de temperatura entre ellos. W es el trabajo hecho en el
sistema o por él mediante fuerzas que actúan en su frontera y ∆U es el cambio de energía interna que ocurre cuando se transfiere energía hacia el sistema o se extrae de él en forma de calor o trabajo.
7.1 Cálculos termodinámicos proceso horno microondas.
Proceso inicial de cocción con el microondas (Isobárico).
Aplicando la primera ley de la termodinámica:
∆U=Q+W
W=P∆V=−33.737 Julios=−0.034KJ
El calor estaría dado por la expresión:
Q=mc∆T Q+mevap Lv=mc (T final−T inicial )+mevap Lv
m=masadulce de manzana=0.65Kg
mevap=masadeaguaque seevapora=0.095Kg
c prom=calor especificomanzana=0.87KJ
Kg∗° K
T inicial=19.4℃=292.4 ° K
T final=81.0℃=354.0 ° K
Lv=calor latente deva porizacion=2257KJKg
El calor total seria:
Q= (0.65Kg )(0.87 KJKg∗°K )(354.0 °K−292.4 ° K )+(0.095 Kg)(2257 KJKg )
Q=249.25KJ
Remplazando los datos en la ecuación para la primera ley tendríamos que el cambio de energía interna seria:
∆U=Q+W
∆U=249.25KJ−0.034KJ
∆U=249.216KJ
Enfriamiento después del proceso inicial de cocción (Isobárico e Isocórico).
Aplicando la primera ley tendríamos:
∆U=Q+W
W=P∆V=0 (Proceso Isobarico)
W=0(Proceso Isocorico)
Luego el calor esta dado por la expresión:
∆U=Q−0
∆U=Q
Donde:
m=masamanzana=0.555Kg
c prom=calor especificomanzana=0.87KJ
Kg∗° K
T inicial=81.0℃
T final=22.6℃
Q=mc (T final−T inicial)
Q= (0.555Kg )(0.87 KJKg∗°C ) (22.6°C−81.0 °C )
Q=−28.198KJ
Triturado y mezcla con los demás ingredientes (Isobárico).
El tipo de proceso aquí puede ser considerado isobárico.
Aplicando la primera ley tenemos:
∆U=Q+W
El trabajo esta dado por:
W=P∆V=P(V final−V inicial)
W=−40.388 Julios=0.040KJ
Luego para este proceso el calor esta dado por la expresión:
Q=mc prom∆T=mcprom(T final−T inicial )
m=masamaezcla=1.052 Kg
c prom=calor especifico promedio=1.168KJ
Kg∗℃
T inicial=19.6℃
T final=19.6℃
Q=mc (T final−T inicial)
Q= (1.052Kg )(1.168 KJKg∗°C ) (19.6 °C−19.6 ° C )
Q=0
Finalmente:
∆U=Q+W
∆U=0−0.040KJ
∆U=−0.040 KJ
Cocción de la mezcla total (Isobárico).
El tipo de proceso aquí puede ser considerado isobárico.
Aplicando la primera ley tenemos:
∆U=Q+W
W=P∆V
Q=mc prom∆T+mevapLv
Luego para este proceso el calor esta dado por la expresión:
∆U=mcprom∆T +mevap Lv+P∆V
∆U=mcprom (T final−T inicial )+mevap Lv+P(V final−V inicial)
m=masamezcla=1.052Kg
mevap=masaquese evapora=0.245Kg
c prom=calor especifico promedio=1.168KJ
Kg∗℃
T inicial=22.8℃
T final=86.4℃
Lv=calor latente devaporizacion=2257KJKg
Patm=723mmHg=96391.8Pa
V inicial=850ml=8.5∗10−4m3
V final=650ml=6.5∗10−4m3
Calculamos:
W=P∆V=(96391.8 Pa ) (6.5∗10−4m3−8.5∗10−4m3 )=−19.278 Julios
W=−0.019KJ
Q= (1.052Kg )(1.168 KJKg∗°C ) (86.4 ° C−22.8° C )+(0.245Kg)(2257 KJKg )
Q=78.147 KJ+552.965KJ=631.112KJ
∆U=631.112KJ−0.019KJ=631.093KJ
Enfriamiento del dulce hasta la temperatura ambiente (Isobárico e isocórico)
Aplicando la primera ley tenemos:
∆U=Q+W
W=0
Luego para este proceso el calor esta dado por la expresión:
∆U=Q+0
∆U=Q=mc prom∆T=mcprom(T final−T inicial)
m=masamae zcla=0.807Kg
c prom=calor especifico promedio=1.168KJ
Kg∗℃
T inicial=86.4℃
T final=20.2℃
∆U=Q=¿
∆U=Q=( 0.807Kg )(1.168 KJKg∗° C )(20.2 °C−86.4 °C )
Q=∆U=−62.398KJ
Refrigeración del dulce hasta la temperatura ambiente (Isobárico e isocórico)
Aplicando la primera ley tenemos:
∆U=Q+W
W=0
Luego para este proceso el calor esta dado por la expresión:
∆U=Q+0
∆U=Q=mc prom∆T=mcprom(T final−T inicial)
m=masamaezcla=0.807 Kg
c prom=calor especifico promedio=1.168KJ
Kg∗° K
T inicial=20.2℃=293.2 °K
T final=3.0℃=276.0 ° K
∆U=Q=mc prom(T final−T inicial)
∆U=Q=( 0.807Kg )(1.168 KJKg∗° K ) (276.0 ° K−293.2° K )
Q=∆U=−16.212KJ
7.2 Cálculos termodinámicos proceso estufa a gas.
Se toman como referencia los análisis efectuados para cada uno de los procesos con el horno microondas.
T inicial [℃ ] T final [℃ ] minicial [Kg ] mfinal [Kg ] W [KJ ]Cocción Inicial 19.2 85.6 1.15 0.691 - 0.053Enfriamiento 85.6 21.4 0.691 0.691 0Mezcla Ingredientes
21.4 21.4 1.569 1.569 -0.0235
Cocción Final 19.6 91.8 1.569 0.748 -0.059Enfriamiento 91.8 21.2 0.748 0.748 0Refrigeración 21.6 4.0 0.748 0.748 0Estos fueron los resultados obtenidos al aplicar la primera ley en cada uno de los seis (6) procesos termodinámicos:
Ecuaciones Q [KJ ] Ecuaciones ∆U [KJ ]Cocción Inicial Q=mc prom∆T
Q=mevap Lv176.5441035.963
∆U=Q+W 1212.454
Enfriamiento Q=mc prom∆T -102.565 ∆U=Q+W -102.565
Mezcla Ingredientes
Q=mc prom∆T 0 ∆U=Q+W -0.0235
Cocción Final Q=mc prom∆TQ=mevap Lv
267.2321852.997
∆U=Q+W 2120.17
Enfriamiento Q=mc prom∆T -124.576 ∆U=Q+W -124.576Refrigeración Q=mc prom∆T -31.056 ∆U=Q+W -31.056
8. CICLOS TERMODINÁMICOS EN LA OPERACIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DEL PRODUCTO.
En todo proceso de elaboración de un producto determinado, bien sea a nivel industrial o casero; siempre existen ciclos termodinámicos presentes en la elaboración del producto (vapor de agua, refrigeración, agua potable, energía eléctrica, gas natural, entre otros).
Para el caso, en la elaboración del dulce de manzana se pueden identificar los siguientes ciclos termodinámicos que estarían involucrados en la producción del dulce a nivel casero:
1. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Este es el caso del refrigerador casero donde colocamos el dulce de manzana para su proceso de refrigeración hasta la temperatura deseada.
2. Ciclo termodinámico para el agua potable. Es muy importante este ciclo ya que nos permite de manera natural obtener agua potable. El ciclo hidrológico que proporciona el agua potable de todo el mundo, es un proceso termodinámico de destilación, movido por un motor termodinámico basado en la diferencia entre la temperatura del Sol y la del espacio vacío.
3. Ciclos termodinámicos para la generación de energía eléctrica. Aquí existen varios ciclos que se pueden identificar y que hacen posible el que se tenga disponibili|dad de energía eléctrica para el horno microondas, el triturador y la nevera. Algunos de estos ciclos son ampliamente utilizados en las plantas térmicas de generación a saber: ciclo rankine o ciclo de vapor, el ciclo brayton para el caso de plantas que trabajan con gas.
4. Ciclos termodinámicos para el gas natural. Para obtener el gas natural en nuestro hogar o empresa es necesario que el gas cuando es extraído de los yacimientos pase por varios ciclos de refinamiento y purificación a saber: Ciclo de remoción de condensados y agua, ciclo de endulzamiento
(tratamiento con aminas), ciclo de deshidratación y remoción de mercurio, ciclo de rechazo de nitrógeno (destilación criogénica).
CONCLUSIONES
Con el desarrollo del presente trabajo se logra aplicar los principales conceptos de la termodinámica para la elaboración del dulce de manzana.
El presente trabajo permite verificar algunos principios estudiados en el módulo de termodinámica y aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica a los diferentes procesos que se identificaron en todas las etapas de elaboración del dulce de manzana.
Este tipo de trabajos permiten afianzar por medio de la práctica los conceptos y fenómenos físicos estudiados en la teoría de la termodinámica, para de esta forma ver la aplicación práctica que tienen cada uno de los conceptos estudiados a lo largo del curso.
Aunque no es fácil replicar con exactitud cada proceso en forma ideal, este experimento o laboratorio efectuado al preparar el dulce de manzana, deja un claro acercamiento a lo que realmente ocurre en cada proceso termodinámico que se lleva a cabo a nuestro alrededor.
Se presentan dificultades para encarar el proyecto toda vez que por el hecho de ser una materia un tanto complicada en sus conceptos teóricos, lo es más aun cuando se tienen que llevar estos conceptos a aplicaciones prácticas como en este caso particular. Pero finalmente, se pudo sacar adelante el proyecto y lo más importante es que se aclararon muchos conceptos teóricos.
BIBLIOGRAFIA
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http://www.directoalpaladar.com/postres/compota-de-manzana-receta
http://secocina.com/recetas/compota-manzana