UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

Experiencia Nº08

“Calor absorbido/disipado y convección”

E.A.P. INGENIERIA QUIMICA 0.72

Curso:

Laboratorio de Física II

Alumno:

Casafranca León, Alexis

Código: N°11070107

Fecha de entrega: 27/06/2012

Lima – Perú

2012

CALOR ABSORBIDO / DISIPADO

I. OBJETIVO.

Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida / disipada por una sustancia liquida.

Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbido / disipado para diferentes cantidades de liquido.

II. EQUIPOS / MATERIALES.

1 Equipo de calentamiento (mechero Bunsen).1 Agitador.1 Soporte universal.1 Clamp.1 Vaso de precipitado.1 Termómetro.Agua.Papel milimetrado.

III. INTRODUCCIÓN.

Calor, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible, denominada calórico. Según la teoría del calórico, un cuerpo de temperatura alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el primero cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las pruebas experimentales presentadas por el físico británico Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry Davy en 1799 sugerían que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo.

IV. FUNDAMENTO TEORICO.

La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura.

Esto es: Q α m (T – T0)

Q = m c (T – T0) (1)

Siendo: c = calor especifico T0 = temperatura de referencia T = Temperatura final.

El suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo, corresponde a que este recibe un flujo calorífico H. Si el flujo es constante,

(2)

De (1) y (2) se tiene:

, luego

Integrando e iterando se tiene:

(3)

La ecuación (3) relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde H/mc representa la pendiente y T0 la temperatura inicial.

Si el cuerpo se encuentra en un sistema adiabático, el trabajo de dilatación se realiza a expensas de la energía interna.

Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coincide con el trabajo realizado; le energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor, es positivo cuando absorbe calor y negativo cuando disipa calor.

La energía interna del cuerpo aumenta a costa de la cantidad de calor adquirida dq, y disminuye a costa del trabajo realizado por el cuerpo dw (principio de conservación de la energía en los procesos térmicos). Se le conoce como la primera ley de la termodinámica y se expresa como:

dU = dQ – PdV (4)V. PROCEDIMIENTO

1. Monte el equipo como se muestra en la guía.

2. Coloque en el vaso pirex agua a temperatura del ambiente, casi hasta la parte superior.

3. Anote el valor de la temperatura y el volumen del agua.

T = 21 ºCV = 400 ml

4. Encienda el mechero. Busque un flujo aproximadamente constante. La llama no debe ser muy fuerte ni estar muy cerca al vaso.

5. Mida la distancia entre la llama y el vaso. Mantenga fija esta distancia durante toda la práctica a fin de que no cambien las condiciones de experimentación.

Distancia = 0.5 cm

6. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada minuto hasta llegar al punto de ebullición. Anote los datos en la Tabla Nº 1.

7. Repita los pasos (1) al (5) bajo las mismas condiciones anteriores; Ahora use la mitad de la cantidad de agua anterior. Anote los datasen la Tabla Nº 2.

TABLA 1 ( m = 300g )t(s) T(ºC)0 2330 2660 32.590 38120 43150 48180 56210 61.5240 67270 72300 76330 79360 84390 89420 92450 95

480 97TABLA 2 ( m = 150g )

t(s) T(ºC)0 2330 2760 32.590 39.5120 43.5150 55180 64210 68240 74.5270 77300 84330 90360 95390 99

8. Haga una grafica de la temperatura versus el tiempo, para los dos casos anteriores.

Gráfica para m=300g. (Tabla 1)

Gráfica para m=150g. (Tabla 2)

9. Determine la ecuación de la grafica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75ºC.

Para la masa de m = 300g.

ti Ti ti2 ti Ti

0 23 0 2330 27 30 2760 32.5 60 32.590 39.5 90 39.5120 43.5 120 43.5150 55 150 55

Σti = 450 ΣTi = 194.3 Σti2 = 450 Σti Ti = 187

Donde la ecuación de la gráfica es:

Entonces para nuestro caso:

Por lo tanto la ecuación de la gráfica es:

Para la masa de m/2 = 150g.

ti Ti ti2 ti Ti

0 35 0 6430 45 30 6860 55 60 74.590 65 90 77120 75 120 84

Σti = 300 ΣTi = 275 Σti2 = 300 Σti Ti = 121

Donde la ecuación de la grafica es:

Entonces para nuestro caso:

Por lo tanto la ecuación de la gráfica es:

De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa?

Podemos identificar el liquido de mayor masa si observamos la pendiente, el que tiene menor pendiente es el líquido de mayor masa y el que tiene mayor pendiente es el liquido que tiene menor masa.Para nuestro caso la pendiente de la grafica del líquido de masa 400g es 0.061 y la pendiente de la grafica del líquido que tiene masa de 200g es 0.081.

¿Qué relación existe entre la pendiente del grafico T = T(t) con la cantidad de calor?

Como podemos observar en la ecuación (3) de la teoría:

Entonces la pendiente es directamente proporcional a la cantidad de calor.

10. Vierta esta agua caliente en la probeta graduada hasta 200mL. Luego viértalo en el vaso de espuma de poliuretano. Coloque un termómetro en el vaso de espuma y tome la temperatura del agua cada 10s. durante 3 minutos. Anote los datos en la tabla 3.

Tabla3

T(°C) 96 90 89 88.5 87.5 86.5 85.5 84.5 84 83.2 82.982 81.5 81 80 79.8 79 78 77.7

t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 120 130 140 150 160 170 180

12.- Continúe tomando la temperatura cada 10s., agitando suavemente, hasta 3 minutos después que el hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4.

Tabla 4

T(°C) 57 49 43 40 38 36.5 35 35.8 35 34 37t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

¿En qué instante exacto el cubo de hielo termina de fundirse?Cuando el calor absorbido por el cubo de hielo es igual o mayor al calor latente que necesita para pasar a estado líquido completamente.

Determine el volumen final del agua. -> V(final)=163.2 ml¿Qué volumen tenía el agua originalmente? -> V(original)=151.6 ml¿Qué masa tenía el hielo inicialmente? -> M(original)= 10g

Explique cómo determino estas masas:Con una tabla de densidades a diferentes temperaturas para el agua.

13.- Haga una gráfica de T vs. t

¿Cómo afecto el cubo de hielo añadido al agua la rapidez de enfriamiento?La temperatura del agua líquida va perdiendo energía interna a causa del hielo que tiene una temperatura menos de 0 °C entonces ambos materiales empiezan a ganar y perder energía o calor.

Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía.Q=Ce.m.(Tf-Ti)Qperdida (inicial)=(1)*(151.6)*(20) calQperdida (inicial)=3032 cal

VI. TAREA.

- Si en el paso 9 en lugar de agua se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa, ¿Cómo sería el gráfico?

De acuerdo a lo experimentado si la capacidad calorífica es mayor, las temperaturas serían mayores a cada instante (intervalo de tiempo).

1. ¿Cuál es la razón de que en este experimento la temperatura no llegue a 100 ºC?

La razón es por que la para una presión de 760 mmHg la temperatura de ebullición del agua es de 100°C pero este es un valor convencional ya que la presión en la atmósfera llega solamente a 756 mmHg es por esto que el agua no llega a su punto de ebullición menor de 100°C.

2. Para el caso del agua, aproximadamente a partir de 75 ºC la grafica de temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal. ¿Por qué?

Si, a partir de 75 ºC ya deja de ser lineal. A medida que la temperatura del agua tiende a su punto de ebullición (100 ºC) la grafica de T vs t desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 75 ºC es lineal pero de allí en adelante la grafica tiende a 100 ºC.

3. Indique el tiempo que demoro en recorrer el intervalo 80ºC y 85ºC. Compare con el caso registrado entre 50ºC y 55ºC.

Para m=400g.

Para 80ºC y 85ºC Δt=1160-1014=146 s.Para 50ºC y 55ºC Δt=584-482=102 s.

Para m=200g.

Para 80ºC y 85ºC Δt=849-744=105 s.Para 50ºC y 55ºC Δt=393-344=49 s.

El tiempo de 80ºC y 85ºC es mayor que el tiempo que se demora en recorrer 50ºC y 55ºC.

4. ¿Qué significado tiene los datos de la pregunta (7)?

Los datos de la pregunta (7) indican que para la masa menor llega a su punto de ebullición más rápido que la de mayor masa.

5. Compare los tamaños de los intervalos de temperatura para las masas de m y m/2.

En el laboratorio tomamos dos medidas uno a intervalos de temperatura iguales y otro como vemos a continuación a intervalos de tiempo iguales.

m = 300g

t(s) T(ºC)0 2330 2660 32.590 38120 43150 48180 56210 61.5240 67270 72300 76330 79

m/2 = 150g

t(s) T(ºC)0 2330 2760 32.590 39.5120 43.5150 55180 64210 68240 74.5270 77300 84

VII. CONCLUSIONES.

Si se calienta un líquido su densidad suele disminuir, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través del vaso. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.

Cuando se produce un cambio de estado (liquido a vapor) el cual las moléculas del liquido se reducen a cero.

Al suminístrale una cantidad de calor a un cuerpo aumenta su temperatura.

Al suminístrale calor a los líquidos produce una disminución en su volumen original debido a la evaporación de algunas moléculas del líquido.

VIII. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES.

Antes del experimento revisar los instrumentos de trabajo.

Poner el termómetro en forma vertical y no dejar que toque la base del vaso.

Llenar el vaso 2/3 de su volumen para la mejor realización del experimentó.

Tener cuidado al momento de encender el mechero.

Cerrar bien la llave por donde ingresa el gas al mechero después del experimento.

CONVECCIONAnders Celsius(Uppsala, Suecia, 1701-id., 1744) Fisico y astrónomo sueco. Profesor de astronomía en la universidad de Uppsala (1730-1744). Superviso la construcción del Observatorio de Uppsala, director en 1740. En 1733 publico colección de 316 observaciones de auroras boreales. En 1736 participo en una expedición a Laponia para medir un arco de meridiano terrestre, lo cual confirmo la teoría de Newton de que la Tierra se achataba en los polos.

I. OBJETIVO

Investigar el transporte de calor en los fluidos.II. EQUIPOS Y MATERIALES

1 Soporte universal 1 Pinza universal 1 Vaso de precipitados, 250 mL. 1 Nuez doble 1 Cuchara con mango de espátula Permanganato potásico, 25 g Sedal (hilo de seda) Espiral

IMPORTANTE: No utilice demasiado Permanganato potásico; suficientes unos cristales.

III. FUNDAMENTO TEORICOLa propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en solidos), convección (en fluidos) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. Si hay diferencia de temperatura entre dos puntos, el calor siempre se propaga de la zona más caliente a la menos caliente.

CONVECCION:Es la manera más eficiente de propagación de calor, se da en los fluidos. Un fluido cálido por diferencia de densidades, asciende hacia regiones menos calientes; por compensación un fluido frio desciende a tomar su lugar; si continúa así este movimiento, da lugar a la formación de células convectivas. Ejemplo, cuando el agua hierve se forman burbujas (regiones calientes) que ascienden hacia regiones menos calientes, las células convectivas en la atmosfera que dan lugar a precipitaciones pluviales.

IV. PROCEDIMIENTO

MONTAJE 2

1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 200 mL de agua.2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos

cristales de permanganato potásico.3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del

vaso de precipitados.4. Mientras se calienta, observe atentamente del agua coloreada.

Anote sus impresiones.El colorante empieza a expandirse en todo el vaso de acuerdo a la dirección que toma el agua debido corrientes de convección que se distribuyen por todo el líquido dentro del recipiente.5. Dibuje, esquemáticamente, en la figura 3, con líneas punteadas como

el agua sube y baja. Explique lo que observa mientras se calienta el agua.

Cuando el agua de la parte inferior se empieza a calentar esta adquiere menor densidad que el agua que está encima de ella y por ello tiende a subir y desplazar al agua de mayor densidad.

Nota importante: ¡Las espirales de papel pueden arder! Coloquela al menos 15 cm por encima del mechero.

PROCEDIMIENTOMONTAJE 3

6. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.7. Haga un nudo en el sedal y paselo por un orificio previamente hecho

en el centro de la espiral. (Figura 4)8. Encienda el mechero con una llama baja.9. Cuelgue la espiral entre 15 y 20 cm. Por encima del mechero.10. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones.

Los espirales sufren un movimiento debido a la corriente de aire caliente que se crea con el mechero.

¿Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, el giro seria el mismo? ¿Por qué?No, según lo visto y por su forma la geometría determina el movimiento del espiral. El sentido orientaría el movimiento del espiral, así que si el sentido cambia puesto que el flujo de aire asciende por un lado y por el otro desciende.

11. Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno.a. En el interior del manto terrestre.b. En las profundidades del mar.c. En el cambio climático (estaciones )

V. AUTOEVALUACIONRespecto a los fenómenos realizados en el laboratorio.1. Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-

atmosfera.

La circulación atmosférica es un movimiento del aire atmosférico a gran escala y, junto con la circulación oceánica,1 el medio por el que el calor se distribuye sobre la superficie de la Tierra. Sin embargo, hay que tener en cuenta que aunque el papel de las corrientes oceánicas es más pequeño de acuerdo con su volumen en comparación con el de la circulación atmosférica, su importancia en cuanto al flujo de calor entre las distintas zonas geo astronómicas es muy grande, por la notable diferencia de densidad entre la atmósfera y las aguas oceánicas que ocasiona que el calor específico transportado por un m³ de agua oceánica sea muy superior al que puede desplazar un m³ de aire.

2. ¿Qué sucede en nuestro medio durante el fenómeno del niño?

Consecuencias del fenómeno del niño para América del Sur

Lluvias intensas.

Calentamiento de la Corriente de Humboldt o Corriente del Perú. Pérdidas pesqueras. Intensa formación de nubes. Periodos muy húmedos. Baja presión atmosférica.

En nuestro país el fenómeno de El Niño, ocasiona importantes cambios en el clima, provocando calentamiento del mar, condiciones de sequía en las costas del norte, lluvias intensas en secciones del país e inviernos generalmente húmedos.

3. ¿Qué son los vientos alisios? ¿Qué fenómenos los producen?

Los vientos alisios soplan de manera relativamente constante en verano (hemisferio norte) y menos en invierno. Circulan entre los trópicos, desde los 30-35º de latitud hacia el Ecuador. Se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotación de la Tierra desvía a los alisios hacia el oeste, y por ello soplan del nordeste al sudoeste en el hemisferio norte y del sudeste hacia el noroeste en el hemisferio sur. Las épocas en las que los alisios soplan con menor intensidad constituían un peligro para los primeros viajes veleros hacia el continente americano formándose épocas de calma del viento que impedían avanzar a los veleros.

4. Se sabe que el sol está constituido por diversos gases, investigue usted como ocurre el transporte de energía a través de él.

Zona convectiva

Esta región se extiende por encima de la zona radiante, y en ella los gases solares dejan de estar ionizados y los fotones son absorbidos con facilidad y se convierten en un material opaco al transporte de radiación. Por lo tanto, el transporte de energía se realiza por convección, de modo que el calor se transporta de manera no homogénea y turbulenta por el propio fluido. Los fluidos se dilatan al ser calentados y disminuyen su densidad. Por lo tanto, se forman corrientes ascendentes de material desde la zona caliente hasta la zona superior, y simultáneamente se producen movimientos descendentes de material desde las zonas exteriores frías. Así, a unos 200 000 km bajo la fotosfera del Sol, el gas se vuelve opaco por efecto de la disminución de la temperatura; en consecuencia, absorbe los fotones procedentes de las zonas inferiores y se calienta a expensas de su energía. Se forman así secciones convectivas turbulentas, en las que las parcelas de gas caliente y ligero suben hasta la fotosfera, donde nuevamente la atmósfera solar se vuelve transparente a la radiación y el gas caliente cede su energía en forma de luz visible, y se enfría antes de volver a descender a las profundidades. El análisis de las oscilaciones solares ha permitido establecer que esta zona se extiende hasta estratos de gas situados a la profundidad indicada anteriormente. La observación y el estudio de estas oscilaciones solares constituyen el campo de trabajo de la heliosismología.

VI - CONCLUSIONES

Al calentar un fluido, se hace menos denso que el resto del fluido que lo rodea y flota sobre éste, ascendiendo así por dicho fluido.

Las corrientes convectivas en un fluido se dan de un solo modo. El ascenso por un lado y por el otro el descenso. Esto es porque en el ascenso el líquido a aumentado su volumen. Por tanto disminuye su densidad.

Cuanto mayor es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de transferencia de calor.

Si se controla la velocidad del aire (fluido) disminuye, entonces el espiral deja de moverse.

La velocidad de transferencia de calor por convección siempre es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido.

VII – RECOMENDACIONES

Agregar aproximadamente solo 5 ó 6 cristales de Permanganato potásico, ya que dificultaría la visión de las burbujas formadas por el calentamiento y la orientación de estas.

Tener mucho cuidado al manipular el mechero para la práctica experimental.

No acercar demasiado el papel al mechero porque se podría quemar.

BIBLIOGRAFIA.

Manual de Laboratorio de FISICA II 2º Edición.

“Física para Ciencias e Ingeniería”John P. McKelvey. Editorial Tierra Firme.

“Física para Ciencias e Ingeniería”John P. McKelvey. Editorial Tierra Firme

Procesos de Transferencia de Calor”Donald Q Kem. Editorial Continental – México 0 1994Pgs. 13, 15, 905, 909.