LABORATORIO DE FÍSICA IIINFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 1 LABORATORIO DE FÍSICA II I. OBJETIVO Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una sustancia líquida. Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbido/disipado para diferentes proporciones del líquido. II. Investigar cómo se transporta el calor en los líquidos EQUIPOS Y MATERIALES Calor absorbido - disipado Equipo de calentamiento (machero bunsen) Soporte Universal 1 clamp 1 termómetro 1 Agitador 1 vaso de precipitado 500 mL 1 vaso de precipitado 200 mL Agua potable Papel toalla 1 vaso de espuma de poliuretano de 200 g (8 onzas) aproximadamente. Cronómetro Cubos de hielo (25 g aproximadamente) Papel milimetrado Convección INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 2 LABORATORIO DE FÍSICA II Equipo de calentamiento (machero bunsen) Soporte Universal 1 clamp 1 termómetro 1 pinza universal 1 vaso de precipitado 200 ml 1 cuchara de mango Permanganato de potasio Espiral de papel preparado INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 3 . corresponde a que este recibe un flujo calorífico H.LABORATORIO DE FÍSICA II III.T0 ) Donde. INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 4 . donde H/mc representa la pendiente t T0 la temperatura inicial. Es una función lineal. c = calor especifico T0 = Temperatura inicial de referencia T: Temperatura Final El suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo. Esto es: Q α m (T – T0) Q = mc (T. FUNDAMENTO TEÓRICO La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura. luego dT = H mc dt Integrando e iterando se tiene: T t ∫ dT = T0 T= H mc H ∫ dt mc 0 t + T0 La ecuación (3) relaciona la temperatura con el tiempo. Si el flujo es constante. H= Se tiene: dQ dt dQ dt = = mc cte dT dt = H. LABORATORIO DE FÍSICA II Si el cuerpo se encuentra en un sistema adiabático. es el área del cuerpo en contacto con el fluido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba. En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida. la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coinciden con el trabajo realizado. la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba. ocupando el lugar que dejo la caliente. La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton: Donde es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película). es positivo cuando absorbe calor y negativo cuando disipa calor. es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido. Lo que se llama convección en sí. causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo. mientras que el agua que está en la superficie. desciende. Sin embargo. INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 5 . la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor. La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. el trabajo de dilatación se realiza a expensas de la energía interna. por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola. forzada o asistida). La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. CONVECCIÓN La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica. Anotamos el valor de la temperatura y el volumen del agua. casi hasta la parte superior. PROCEDIMIENTO Montaje 1 Calor absorbido/disipado 1. Colocamos 400 g de agua en el vaso pirex a temperatura del ambiente. se 2. Montamos el equipo como muestra. T 0 =24 ° C V =400 ml INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 6 . 3.LABORATORIO DE FÍSICA II IV. 0 1.0 19.0 86 87 88 88. Encendimos el mechero.0 16.0 22.0 7.0 10.0 14.5 22.5 23.0 17.5 4.LABORATORIO DE FÍSICA II 4.5 20.0 74 75 77 78 79 80 81 81. 6.5 5.5 13.5 90 90.0 13.0 15.0 8.0 26 28 31 33 35 38 40 43 45 46 48 50 Temperatura inicial = 24 °C t (min) T(°C) t (min) T(°C) 6.5 21.0 20. Agitamos el agua previamente para leer la temperatura cada 30 segundos hasta llegar al punto de ebullición.5 12.5 1.5 82 83 84 85 INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN t (min) T(°C) 18.5 3.5 16.0 52 54 56 58 61 62 64 66 67 69 71 72. Anotamos los datos en la Tabla 1 TABLA 1 magua=400 g t (min) T(°C) 0.5 89 89.5 7.5 19.0 9. Tuvimos que mantener esta distancia todo el experimento para que no varíen las condiciones experimentales.5 17.0 23.5 15.0 5.5 24. La llama no debe estaba muy fuerte ni estuvo muy cerca del vaso. Buscamos un flujo aproximadamente constante.5 18.5 10.0 11.5 14.0 4.5 12.5 9. Medimos la distancia entre la llama y el vaso.0 21. 5.5 11.5 94 PÁGINA 7 .5 8.5 6.5 2.0 3.0 2.5 91 92 93. 0 80 9. Graficamos la variación de temperatura T versus el tiempo t. Gráfica de la tabla 1 INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 8 .5 7.0 38 4.5 42 4.5 83 1. Repetimos los pasos 1 y 5 bajo las mismas condiciones anteriores. ahora usando la mitad de la cantidad de agua anterior.0 67 7.0 86 1.LABORATORIO DE FÍSICA II 7.0 99 8.0 58 6. Anotamos los datos en la Tabla N°2.0 73 8.5 76 8.0 48 5.0 92.5 69. para los 2 casos anteriores. TABLA 2 magua=200 g Temperatura inicial = 30 °C t (min) T(°C) t (min) T(°C) t (min) T(°C) 0.5 96 3.5 63 6.5 2.5 89 2.5 34 3.5 53 5. LABORATORIO DE FÍSICA II T(°C) vs t (min) 100 80 60 T (°C ) 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 t (min) Gráfica de la tabla 2 T (°C) vs t (min) 120 100 80 T (°C ) 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t (min) INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 9 . 25 )− ( 175.5) H ' ⇒ m = mc =3. y=m ' x+ b<¿ T f = H t+T 0 mc xi ∑¿ ¿ ¿2 ¿ xi ∑¿ ¿ ¿ x 2i −¿ ¿ p∑ ¿ ¿ x 2i −¿ ¿ p∑ ¿ p ∑ x i y i−∑ x i ∑ y i m' = ¿ Para la tabla 1: p = 26 m' = 26 ( 10657 )−( 175.96 2 26 ( 1550.96 y b=T 0=25.5 ) b= ( 1550.78 ° C ⇒ T f =3.78 Para la tabla 2: p = 11 INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 10 .5 ) ( 1364.96 t+25. Determinamos la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados.LABORATORIO DE FÍSICA II 9.5 ) =3.78 2 26 ( 1550.25 )−( 175.5)(10657) =25.5)−(175.25 ) (1364. considerando la temperatura hasta 75°C. 29 De los dos gráficos ¿Cómo identificaríamos el líquido que tiene mayor masa? Para poder identificar cual gráfica pertenece a un liquido de mayor masa tomamos un valor de tiempo.5)−(33)(2104.29 11 ( 126. aquél que presente menor masa.74 2 11 ( 126. Determinamos la cantidad de calor absorbido para cada caso Q=m c e ( T f −T 0) Donde: m: Masa del agua ce : Calor específico del agua (1 cal/g °C) Tf : Temperatura final del agua T0 : Temperatura inicial del agua Para la tabla 1: INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 11 .74 y b=T 0 =30.LABORATORIO DE FÍSICA II m' = b= 11 ( 2104.75) =30.5 ) =8.5 ) −( 33 ) ( 126.75 )−( 33 ) ( 621. comparamos los valores de tiempo correspondientes a cada temperatura.5 ) (621.5 )−( 33 )2 H ' ⇒ m = mc =8. por una temperatura mayor presentará lo tanto.74 t+30. el que presente menor temperatura será la gráfica para la mayor masa.29° C ⇒ T f =8. En la gráfica será aquella que tenga la pendiente menor. INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 12 . Secamos un cubo de hielo con una toalla de papel e introducimos en el agua. Luego echamos en el vaso de espuma de poliuretano.5 180 81. Anotamos los datos en la Tabla 3.5 10.5 20 91 80 86.5 220 78.5 160 82.5 140 83.5 200 80 30 90 90 86 150 83 210 79 40 89. TABLA 3 t (s) T(°C) t (s) T(°C) t (s) T(°C) t (s) T(°C) 10 91 70 87 130 84 190 80.8 kcal 10.LABORATORIO DE FÍSICA II Q=400 (1 ) ( 94−24 )=28 kcal Para la tabla 2: Q=200 ( 1 ) ( 99−30 )=13.5 50 89 110 85 170 82 230 78 60 88 120 84.5 100 85. Echamos esa agua caliente en la probeta graduada hasta 200ml.5 240 77. Colocamos un termómetro en el vaso de espuma y tomamos la temperatura cada 10 segundos durante 4 minutos. Continuamos tomando la temperatura cada 10s. TABLA 4 t (s) 10 20 30 40 50 60 T(°C) 69 69 68.5 240 Determine el volumen final del agua.2 g Explique cómo determinó estas masas: Se obtuvo el primero del volumen final y la del hielo haciendo derretir un cubo de hielo parecido al usado y poniéndolo en la pipeta para ver su volumen con esto hallado se pudo obtener su masa por medio de la densidad V agua ( final ) −V agua ( original )=V hielo ( original )=10 ml INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 13 .5 68 68 67. Anotamos los datos en la Tabla 4.5 66 66 66 t (s) 130 140 150 160 170 180 T(°C) 66 66 65.5 65 65 64. hasta 4 minutos después que el cubo de hielo se fundió.LABORATORIO DE FÍSICA II 11.5 t (s) T(°C) 64.5 230 63.5 66.5 190 64 200 64 210 63.5 220 63.5 t (s) 70 80 90 100 110 120 T(°C) 67 66. V agua ( final ) =210 ml ¿Qué masa tenía el agua originalmente? magua ( original )=200 g ¿Qué masa tenía el hielo originalmente? mhielo ( original )=9. 2 g Calculamos la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía.° C Qinicial =200 ( 1 )( 77. En el vaso de precipitados echamos alrededor de 200ml de agua. Q=mc ∆ T c agua =1.92 ( 10 ) =9.5−69 )=1700 cal Hacemos la gráfica de T vs t. V hielo ( original )=0. T (°C) vs t (s) 70 69 68 67 66 T (°C) 65 64 63 62 61 60 0 50 100 150 200 250 300 t (s) Montaje 2 Convección (Agua) 1.00 cal g .LABORATORIO DE FÍSICA II mhielo ( original )=ρ . INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 14 . LABORATORIO DE FÍSICA II 2. INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 15 . Con la llama baja colocamos el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados. 3. Por el borde del vaso de precipitados dejamos caer en el agua algunos cristales de Permanganato de potasio. por lo cual asciende la columna del liquido. donde las capas inferiores que están más en contacto con el mechero aumentan su volumen y disminuyen su densidad. 3. 5. por consiguiente. Encienda el mechero con una llama baja. Montaje 3 Convección (Aire) 1.LABORATORIO DE FÍSICA II 4. se mueven hacia abajo. Cuelgue la espiral entre los 15 y 20 cm por encima del mechero. Mientras se calentaba. el aire que está cerca del fuego recibe calor. Observe atentamente el fenómeno. Fue subiendo a la superficie del agua en forma de un espiral. mientras que las capas superiores. Anote sus impresiones Cuando la espiral es colocada sobre el mechero. esto es debido a que el Permanganato de potasio combinado con el agua modela el movimiento del liquido que es producido por la transferencia de calor por convección. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente. 4. 2. Haga un nudo en el sedal y páselo por un orificio previamente hecho en el centro del espiral. que están frías. el volumen de esta capa de aire aumenta y por eso su INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 16 . observamos atentamente el agua coloreada. haciendo que se desplace hacia arriba por la espiral para que sea reemplazado por aire menos caliente y más denso que viene de la región superior. este proceso continua con una circulación de masas de aire más caliente hacia arriba y de masas de aire frio hacia abajo este aire en movimiento moverá la espiral haciendo que entre en rotación.Como en nuestro caso la masa se mantiene constante y el calor especifico es mayor . 6.Gráficamente seria de la siguiente manera: T(°C) vs t (s) INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 17 . ¿Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido. Señale tres ejemplos en los que observe este fenómeno. ¿Cómo sería el grafico? trácelo y descríbalo. como en algunos sistemas de calefacción de aire. C) La mezcla que se presenta cuando el agua de la superficie de un lago se enfría y se hunde. EVALUACIÓN 1. Se observa una relación inversa entre el calor especifico de una sustancia con la pendiente de la recta . el giro seria el mismo? ¿Por qué? No porque el aire que es empujado hacia la espiral giraría en el sentido que está confeccionada la espiral como una tuerca. B) Circulación de aire en una playa es un modo de convección natural. A) Cuando una sustancia es forzada a moverse por un ventilador o una bomba.LABORATORIO DE FÍSICA II densidad disminuirá. Si en el paso 9 en lugar de agua utiliza otro líquido de mayor calor específico. pero de igual masa. V. en consecuencia la pendiente de la recta disminuye su valor . Indique el tiempo que demoro en recorrer el intervalo 80°C y 85°C. ¿a quién se debe dicho valor? 4.LABORATORIO DE FÍSICA II 2. Determine el flujo calorífico en cada caso. 5. Para la tabla 2: Para el intervalo (80-85) es: 30 segundos aprox. Para la tabla 1: Para el intervalo (80-85) es: 1 minuto 30 segundos aprox. ¿Qué relación existe entre las pendientes de las diferentes gráficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos? INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 18 . Físicamente. Por qué en el ajuste de la gráfica no se considera el intervalo de 75°C a 100°C? Es que ahí se podría decir que comienza a dar un cambio de estado de manera mínima y ya no tiene el mismo comportamiento. 3. Revise el caso registrado entre 50°C y 55°C. Estos serían los principales: Por agua (por termosifón o por circulación forzada). Los motores automotrices no pueden refrigerarse por si solos. Como la velocidad del fluido en la convección forzada es mayor que en la convección natural se transfiere por lo tanto una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura 7. por aire (el de la marcha o forzado con ventilador). una bomba. para luego trabar con la mitad de ese volumen. ¿Qué sistemas usan y que principio de propagación usan para disipar la energía calorífica? Existen diferentes denominaciones que hacen referencia al sistema principal aunque en realidad en todo motor participan. en diferente medida. mixta y por aceite. etc. para notar la diferencia que hay cuando se trabaja con un volumen de agua. varios sistemas simultáneamente. "esta fuerza motriz exterior puede ser un ventilador. Investigue que sistemas usan y con qué principio físico se desarrollan. Investigue y explique sobre la convención forzada. el viento."n las labores que sólo tienen un acceso por ejemplo una INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 19 . Para ello es indispensable que lamina tenga dos labores de acceso independientes dos pozos dos socavones! un pozo y un socavón! etc. Ventilación de minas La ventilación en una mina subterránea es el proceso mediante el cual se hace circular por el interior de la misma el aire necesario para asegurar una atmósfera respirable y segura para el desarrollo de los trabajos. La ventilación se realiza estableciendo un circuito para la circulación del aire a través de todas las labores. 8. En las minas subterráneas se presenta el problema de la circulación de aire. de ejemplos de aplicación La convección forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie que se encuentra a una temperatura mayor o menor que la del fluido. 6.LABORATORIO DE FÍSICA II Se trata de trabajar con las mismas condiciones. de modo que el calor se transporta de manera no homogénea y turbulenta por el propio fluido en la zona conectiva. "esta ventilación se conoce como secundaria! en oposición a la que recorre toda la mina que se conoce como principal 9. esto se comprobó observando el desplazamiento del permanganato. El transporte de energía se realiza por convección. investigue usted cómo ocurre el transporte de energía a través de él. por ende. CONCLUSIONES De esta experiencia concluimos que los fluidos se desplazan de zonas calientes a zonas con menor temperatura. se forman corrientes ascendentes de material de la zona caliente cercana a la zona de radiación hasta la zona superior y simultáneamente se producen movimientos descendentes de material desde las zonas exteriores frías. INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 20 . La tubería se coloca entre la entrada a la labor y el final de la labor.LABORATORIO DE FÍSICA II galera en avance es necesario ventilar con ayuda de una tubería. VI. Los fluidos en esta zona se dilatan al ser calentados y disminuyen su densidad. Se sabe que el Sol está constituido por diversos gases. La rapidez de enfriamiento del agua aumenta al agregarle un cubito de hielo ya que al estar a diferente temperatura luego de un tiempo el sistema llegara una nueva temperatura de equilibrio que para el acaso del agua será menor que su temperatura inicial. El calor absorbido por un cuerpo depende de la masa del cuerpo y el tiempo que se le suministra un flujo calórico. Tener una buena posición para medir la temperatura Tener cuidado al momento de sacar el agua hervida VIII.LABORATORIO DE FÍSICA II En general a mayor masa mayor es el tiempo en calentar el agua. VII. RECOMENDACIONES Tener cuidado al realizar el laboratorio para prevenir lesiones o dañar alguno de los instrumentos empleados. El fenómeno de convección permite explicar muchos de los cambios que ocurren en nuestro alrededor. BIBLIOGRAFÍA INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 21 . El agua al calentarse las moléculas que están en el fondo sube y se colocan en la superficie desplazando al agua en la superficie que se encuentra a menor temperatura. Para un cuerpo de mayor masa demora más en cambiar su temperatura que para uno de menor masa. vamos a ver que “peros” puede tener este sistema.org/guias/densidad.fisicarecreativa.pdf http://www. Esto es lo que dice sobre su funcionamiento la organización de consumidores: “El calor ‘rebota’ en su superficie evitando que se difunda a la pared y lo concentra sobre el radiador que tiene delante“. RADIACION Y CONDUCCION INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 22 . se trata de instalar paneles reflectantes en los radiadores.pdf http://aleph.LABORATORIO DE FÍSICA II http://www.monografias.es/palmero/docencia/arquimedes.shtml http://www. según la OCU se consigue un ahorro de energía de entre un 10% y un 20%.eii.com/trabajos93/practicadensidad/practica-densidad. Como no todo lo que brilla es oro.pdf http://books.pe/books? id=1KuuQxORd4QC&printsec=frontcover&hl=es#v=onepag e&q&f=false.com.google. ANEXOS PANELES REFLECTANTES Hace unos días leíamos en la página de la OCU un consejo para ahorrar energía en calefacción que puede dar lugar a bastante controversia. IX.us.cienciaredcreativa.com/informes/infor_mecanica/den sidades_udesa1. LABORATORIO DE FÍSICA II Antes de seguir leyendo. Los radiadores de calefacción (de agua) emiten energía térmica por dos fenómenos. conducción y convección. si no tienes claro la diferencia entre radiación y convección te recomendamos echar un vistazo al post “Radiación. Por lo tanto la parte que en teoría podría “rebotar” INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 23 . la mayor parte de la energía se transmite por convección (80% aproximadamente). pero solo el que se emite por radiación. Los paneles reflectantes se supone que hacen que “rebote” el calor. tres formas de transferencia de calor“. ya que el disipado por convección sube casi verticalmente junto con la masa de aire. pero por las temperaturas superficiales que alcanzan (alrededor de 70ºC). radiación y convección. LABORATORIO DE FÍSICA II (radiación) es minoritaria. INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN PÁGINA 24 . lo que empieza a hacer poco creíble ese ahorro del 10%-20%.