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7/23/2019 Proyecto de Cohete para Termodinmica.docx
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UNIVERSIDAD CATLICA BOLIVIANA
LABORATORIO DE TERMODINMICA
INFORME N1
COHETE IMPULSADO POR NITRATO DE POTASIO Y AZUCAR
ESTUDIANTE: LVARO SALINAS DOCKAR
GRUPO DE LABORATORIO:1
HORARIO: MARTES 2:25 1:!!
DOCENTE: ING" GUSTAVO CALDERN
DOCENTE #TEOR$A%: ING" EDUARDO INVERNIZZI
N&MERO DE CELULAR: ''1()(!(
LA PAZ * BOLIVIA
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Aprender a realizar un mini cohete de propulsin a base de KNO3 yC12H22O11 (Azucar)
Conocer la ley de la conseracin de la cantidad de moimiento!
Combustin del propelente
"n motor cohete opera ba#o el principio de conertir ener$%a calrica& de lasreacciones 'u%micas& en ener$%a cintica! n otras palabras& el calor
liberado por la combustin del propelente proee la ener$%a calrica* la alta
elocidad de los productos de escape saliendo del motor $anan ener$%a
cintica! +or esto es 'ue el escape e,perimenta un $ran descenso de
temperatura al -uir a tras de la tobera (como se mostrara a
continuacin)& un re'uerimiento de la ley de la termodin.mica llamada
/conseracin de la ener$%a/!0a combustin es simplemente una reaccin 'u%mica e,otrmica! +ara 'ue
este proceso comience se necesita una uente de calor e,terna (i$nitor) 'ue
proea la ener$%a necesaria a un niel umbral! sta combustin esta
representada por una ecuacin 'u%mica! +or e#emplo& para un propelente
43 O4C KN45ucrosa& la ecuacin de la combustin esta dada por
(reactios 67 productos)8
C12H22O11 9 &2: KNO3 67 3&;< CO2 9 &21 CO 9 =&=: H2O 9 3& N2 9 3 K2CO3 9
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Con los
compuestos
simbolizados deesta manera8
5ucrosa
5lido C12H22O11
Nitrato de potasio 5lido KNO3?i,ido de
carbono
@as CO2
ono,ido de
carbono
@as CO
Bapor @as H2O
Hidro$eno @as H2Nitr$eno @as N2
Carbonato de
+otasio
0i'uido K2CO3
Hidr,ido de
potasio
0i'uido KOH
5e orman pe'ueas cantidades de otros compuestos& como KH& y CH>&
pero pueden ser i$norados sin consecuencias!
0a deriacin de la ecuacin de combustin completa es potencialmente el
paso m.s comple#o en el an.lisis de un motor cohete! l propelente es
'uemado& a una presin constante (asumida)& y orma un con#unto de
productos moleculares 'ue se encuentran en e'uilibrio 'u%mico y termal
unos con otros! l primer paso es asumir 'ue productos podr%an ser
producidos! +ara propelentes 'ue solo conten$an carbono& o,i$eno&
hidro$eno y nitr$eno (C& O& H D N) e,isten (al menos) doce productos
probables 6 carbono& di,ido de carbono& mono,ido de carbono& hidro$eno&
apor& o,i$eno& nitr$eno& o,ido n%trico as% como productos disociados H& O&
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N y OH! 5i el propelente contiene productos met.licos como potasio (K)&
sodio (Na)& o aluminio (Al)& o contiene cloro (Cl)& resultara en productos de
la combustin condensados (slidos o l%'uidos)& como el carbonato depotasio& (o e'uialentes del sodio)& o,ido de aluminio o clorido de potasio!
"na ez 'ue se ha lle$ado a un con#unto posible de productos& el si$uiente
paso es determinar el nEmero de moles (o racciones) 'ue resultaran! 0os
nEmeros de moles son los coeFcientes en la ecuacin 'u%mica! +ara el
e#emplo anterior& los nEmeros de moles son 3!=& !1:& =!:1& 3! y
3!1> para CO2& CO& H2O& H2& N2 y K2CO3& respectiamente& para la
combustin de los reactios& siendo estos 1 mol de sucrosa y &2: moles de
KNO3!
0a determinacin del nEmero de moles se realiza resoliendo un con#unto
de ecuaciones relacionando los reactios y productos con las condiciones
de8
G alance de masas
G Condiciones de e'uilibrio 'u%mico
G alance ener$tico
l balance de masa es directo& y se reFere al principio de conseracin de
masa! l nEmero de moles de cual'uier elemento determinado antes de
una reaccin 'u%mica debe ser i$ual despus de la reaccin! n el e#emplo
anterior& el nEmero de moles de .tomos en los reactios es8
G 12 .tomos de Carbono (C)
G 22 .tomos de Hidro$eno (H)
G 3I&2: J 2:&;= .tomos de O,i$eno (O)
G &2: .tomos de potasio (K)
G &2: .tomos de Nitr$eno (N)
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en los productos8
G 3&= 9 &1: 9 3&1> J 12 .tomos de Carbono (C)G 2 I =&:1 9 2 I 3& J &2: (redondeado) .tomos de potasio (K) y Nitr$eno (N)
Con lo 'ue se cumplen los re'uerimientos de masa!
uchos reactios& cuando son mezclados en cantidades deFnidas&
reaccionan ormando productos solamente& esto es conocido como reaccin
irreersible! "n e#emplo es la combustin del propelente (por eso el s%mbolo
/67/ en la ecuacin)! n una reaccin reersible el proceso puede ir en
cual'uiera de los dos sentidos! 0os reactios se transorman en productos
as% como los productos se transorman en los reactios ori$inales! ste es el
tipo de reaccin con la 'ue est.n relacionadas las condiciones de e'uilibrio
'u%mico de los productos de la combustin calientes! +or e#emplo& la
reaccin
2H2 9 O2 L67 2H2O es una accin reersible!
+ero 'ue es lo 'ue determina la concentracin relatia de esos
constituyentes (por e#emplo& M0a reaccin actuara mas a la derecha o a la
iz'uierda en esta ecuacin)! +ara cada ecuacin como esta& e,iste una
constante de e'uilibrio (Kp) asociada 'ue es la 'ue determina esto! sta
constante es uncin de la temperatura a la 'ue ocurre la reaccin& y es
esencialmente independiente de otras condiciones %sicas& como la presin!
0os alores de arias Kp pueden ser encontrados en tablas termodin.micas&
por e#emplo las tablas ANAP!
+ara la reaccin reersible $eneral8
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0a ecuacin de e'uilibrio 'u%mico es de la orma8
?onde y es la raccin molar de e'uilibrio de los constituyentes A& & C y ?&
Q es el coeiciente de cada constituyente (2& 1 y 2 en el e#emplo anteriorpara los componentes H2& O2& y H2O)!
l trmino +4+< representa la relacin de presin a la cual ocurre la
reaccin& y la presin de reerencia (estado normal)! ?eber%a notase 'ue el
e'uilibrio de los $ases de la combustin es muy sensible a la temperatura!
0os productos e,istentes a una alta temperatura de combustin son muy
dierentes de a'uellos e,istentes a una temperatura de combustin m.sba#a! A altas temperaturas (sobre los 3
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5e puede er la entalpia como el calor inolucrado en una reaccin
'u%mica! +uesto de otra manera& considere una reaccin inolucrando n
moles de cada reactio (representados por el sub%ndice i)& y n moles decada producto (sub%ndice e)
sta ecuacin nos dice 'ue la suma de la entalpia de ormacin (h) mas el
cambio de entalpia (Th)& multiplicada por el numero de moles (n) de cada
componente& es i$ual tanto para los reactios y los productos! Ntese 'ue
Th representa el cambio de entalpia desde una temperatura de reerencia&
t%picamente 2:; RK (2 RC)! +or esta razn& Th es i$ual a cero para los
reactios si la temperatura inicial del propelente se asume 'ue es esta!
Uanto& Th y h para los reactios y productos pueden encontrarse en tablas
termodin.micas& por e#emplo& las tablas ANAP!
0a anterior ecuacin es particularmente Etil& por'ue nos entre$a los
mtodos para calcular la temperatura de la combustin& a la 'ue se suele
llamar Uemperatura Adiabatica de Plama (APU)! Uambin& de esta ecuacin&
puede erse 'ue es deseable una mayor temperatura de ormacin de losreactios (por unidad de masa)& 'ue es una menor temperatura de
ormacin de los productos& por'ue resultara en un mayor Th disponible
para los productos (de este modo una mayor APU)! Uambin& la presencia de
$ases biatmicos (e#! H2& N2) es deseada $eneralmente por'ue el calor de
ormacin de estos $ases es cero!
0o anterior describe un completo con#unto de inormacin 'ue ser.
necesaria con el Fn de determinar el proceso de combustin por completo!
Ahora tenemos una serie de par.metros desconocidos& y las ecuaciones
'ue nos permitir.n encontrarlos! n resumen& los par.metros desconocidos
son8
G l numero de moles (coeFcientes) en el balance de masas de la ecuacin!
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G 0as racciones molares en las ecuaciones de e'uilibrio 'u%mico!
G 0a temperatura de llama adiabatica!
G 0os alores de Th& siendo estos uncin de la temperatura!G 0a presin (de c.mara) a la 'ue ocurrir. la reaccin!
Obiamente esto no ser. una tarea sencilla! 0a Enica orma practica de
resoler el problema de la combustin& es con una solucin por
computadora& utilizando un proceso iteratio! sto inolucra como primera
medida asumir una presin de c.mara a la 'ue ocurrir. la reaccin (0os
resultados dependen leemente de la presin)! 0as iteraciones para
resoler las ecuaciones comienzan con una temperatura de combustin
(APU) pre6asumida! stas dos asunciones permiten determinar el nEmero de
moles y las racciones molares para estas condiciones iniciales! asados en
los alores determinados& se calcula una nuea APU utilizando la ecuacin
de la ener$%a! ntonces este alor de APU es utilizado en la pr,ima
iteracin para calcular el nEmero de moles y la raccin molar y as%
sucesiamente! entualmente se lle$ara a una coner$encia y se
obtendr. la solucin Fnal! n realidad& hace arios escrib% un pro$rama para
analizar la combustin de los propelentes basados en KN45ucrosa& con
relaciones O4C ariables! sto no ue tarea .cil& pero unciono
satisactoriamente!
AUSVA05
Uubo de +BC
5acarosa
Uobera de po,ilina
Aluminio
Siel
adera
MATERIALE
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CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFA
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Nitrato de potasio
echa
Carbon
+apel
Sealizar una mezcla de W KNO3& 33WAzucar& 1WCarbn!
Cocinar la mezcla hasta 'ue 'uede iscosa!
Hacer un tubo de papel e instertarlo al tubo de pc!
Uapar la parte trasera del +BC con po,ilina y hacer un hueco!
Sealizar un armazn para 'ue el cohete despe$ue de manera ertical!
eter la mezcla iscosa el tubo de papel y esperar a 'ue se'ue!
Hacer un hueco al medio del tubo de la mezcla!
+oner la mecha en la parte de atr.s del cohete& la mecha tiene 'ue estarempapada de la mezcla!
Vncorporar los alerones y la tobera!
0anzamiento!
Con el presente e,perimento se aprendi a construir un modelo de
cohete aFrmando la ley de la conseracin de la cantidad de
moimiento estudiado en la parte terica!
PROCEDIMIEN
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https844XXX!youtube!com4XatchJzzY3C3Z=B#V
http844XXX!na[[a6
roc[etry!net4articles4teoria\de\los\motores\cohete!pd
https://www.youtube.com/watch?v=zzZ3C3Q7VjIhttps://www.youtube.com/watch?v=zzZ3C3Q7VjI