OBJETIVOS
Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una sustancia líquida.
Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbida/disipada para diferentes proporciones del líquido.
Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos.
MATERIALES / EQUIPOS
CALOR ABSORVIDO/DISIPADO
1 Mechero bunsen
1 Soporte Universal
1 Clamp
1 Termómetro
1 Agitador
1 Vaso de precipitado de 500 ml
1 vaso de precipitado de 200 ml
Papel milimetrado
Papel Toalla
CONVECCIÓN
1 Mechero bunsen
1 Soporte Universal
1 Pinza universal
1 Vaso de precipitado de 200 ml
1 Cuchara de mango
Permanganato de potasio
Espiral de papel preparado
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
FUNDAMENTO TEÓRICO
CALOR El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
CALOR ABSORBIDO Y CALOR DISIPADO La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura:
(−) = (− )
(1)
Donde: Ce
:
Calor específico
T0
:
Temperatura Inicial de referencia
T
:
Temperatura Final
El suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo, corresponde a que éste recibe un flujo calorífico H. Si el flujo es constante,
= =
(2)
De 1 y 2 se tiene:
= = Luego
= LUFFI
1
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
Integrando e iterando se tiene
∫ = ∫
→ = +
(3)
La ecuación 3 obtenida relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde H/mc representa la pendiente y T 0 la temperatura inicial. Si el cuerpo se encuentra en su sistema adiabático, el trabajo de dilatación se realiza a expensas de la energía interna. o
Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coincide con el trabajo realizado; la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor, es positiva cuando absorbe calor y negativa cuando disipa calor
o
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 térmico). Se le conoce como la primera ley de la termodinámica, y se expresa como:
=−
FORMAS DE PROPAGACIÓN DE CALOR La propagación del calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que tienen diferente temperatura. Existen
tres
formas
de
propagación
del
calor
que
son
por: conducción, convección y radiación y que a veces puede producirse en forma combinada.
-
Conducción Esta forma de propagación se da en los sólidos, cuando se aplica calor a un objeto sólido, la zona donde absorbe calor se calienta y sus partículas adquieren mayor movilidad que el resto del cuerpo y cada partícula transmite el calor a las partículas vecinas, con el cual el calor acaba por propagarse por todo el objeto.
LUFFI
2
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Ejemplos: o
Utensilios metálicos para cocinar, como por ejemplo una olla de acero. Esta recibe el calor en la base y luego se propaga por toda la olla. Es por ello que las asas tienen que ser de un material aislante como madera o plástico, para no sufrir quemaduras.
o
Tenemos un vaso de leche que está muy caliente. En su interior se introduce una cuchara. Al pasar un rato, si se toca la cuchara que se encuentra en su interior, se nota que se va calentando cada vez más. Esta transferencia de calor se ha producido desde una sustancia, que es la leche, hasta un cuerpo, que es la cuchara.
-
Convección La propagación del calor por convección se da en los
líquidos y en los gases. Es decir cuando calentamos un líquido o un gas en un recipiente, las primeras partículas en calentarse son las del fondo, por la que parte del líquido o del gas del fondo se dilata y disminuye su densidad y al ocurrir esto esta parte del líquido o gas asciende por el recipiente y la parte del líquido o gas que estaba encima baja para ocupar el espacio dejado, originándose las llamadas corrientes de
convección
que
van
calentando
todas
las
sustancias del recipiente. Ejemplos: o
El aire por convección origina los vientos.
o
Si se coloca una espiral de cartulina, en un soporte universal y se sopla desde abajo hacia arriba se puede apreciar cómo esta comienza a girar alrededor del punto donde se apoya. También si se coloca una vela encendida o cualquier otra fuente de calor debajo del espiral, esta gira porque el aire que se calienta, asciende y esto se demuestra porque se pone en movimiento la espiral, igual que cuando se soplaba desde abajo hacia arriba. Por tanto, se producen corrientes de aire caliente que suben y de aire frío que baja.
-
Radiación La radiación es la propagación del calor que tiene lugar sin el apoyo del ningún medio material.
Ejemplos: o Los radiadores Las aguas del mar reciben la radiación del sol por o eso logran evaporarse. o Los panaderos, cuando van a sacar el pan del horno, están recibiendo el calor procedente de este, por radiación.
LUFFI
3
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PARTE EXPERIMENTAL MONTAJE 1 – CALOR ABSORVIDO / DISIPADO PASO 1:
-
Montamos el siguiente equipo para realizar el experimento.
PASO 2:
-
Colocamos 400g de agua en el vaso pírex a temperatura del ambiente.
PASO 3:
-
LUFFI
Encienda el mechero. Mantener la llama constate durante toda la experiencia.
4
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
PASO 4:
-
Agitar el agua previamente y leer la temperatura cada 30 segundos hasta llegar al punto de ebullición
-
Se anotaron los datos en la Tabla 01 TABLA 01 (mH2O = 400g)
Temperatura Inicial = 24°C t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
0.5
25.5
6.0
54
11.5
76.5
17.0
89.5
1.0
28
6.5
56.5
12.0
78
17.5
90
1.5
30
7.0
58.5
12.5
80
18.0
90.5
2.0
32
7.5
61
13.0
81.5
18.5
91
2.5
35
8.0
63
13.5
82.5
19.0
91.5
3.0
38
8.5
65.5
14.0
83.5
19.5
92
3.5
40.5
9.0
67.5
14.5
85
20.0
93
4.0
44
9.5
69.5
15.0
86
20.5
94
4.5
46.5
10.0
71
15.5
87
21.0
94.5
5.0
49
10.5
73
16.0
88
21.5
95
5.5
51.5
11.0
75
16.5
89
PASO 5:
-
Repetimos los pasos del 1 al 4 bajo las mismas condiciones anteriores; pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la anterior (masa de agua 200g)
-
Los datos se anotaron en la tabla 02.
TABLA 02 (mH2O = 400g)
Temperatura Inicial = 24°C
LUFFI
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
0.5
25
2.5
45
4.5
68
6.5
92
1.0
30
3.0
51
5.0
74
7.0
96
1.5
34.5
3.5
57
5.5
79
7.5
98
2.0
40
4.0
63
6.0
84
8.0
98.5
5
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
PASO 6:
-
Realizamos la gráfica Temperatura vs tiempo, para los dos casos anteriores usando papel milimetrado.
PASO 7:
-
Determinamos la ecuación de la gráfica mediante el método de mínimos cuadrados. De la tabla 01 se obtuvo la ecuación T = (3.3574)t + 32.196 De la tabla 02 se obtuvo la ecuación T = (10.588)t + 19.688
LUFFI
6
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa? Sabemos según la ecuación 3:
= + De donde se sabe que H/mc es la pendiente de la gráfica, si la masa es mayor entonces la pendiente de la gráfica disminuye. En conclusión la gráfica que tiene mayor es la que tiene menor pendiente (está menos inclinada) la cual corresponde a la gráfica de la Tabla 01.
Determinar la cantidad de calor absorbido para cada caso: Para la tabla 01 Temperatura Inicial Temperatura Final Masa de agua Calor especifico del agua
T0 = 24°C T= 95°C m=400g Ce=1 cal/g°C
De la ecuación 1
= ( − ) =1400(95−24) = 28.400 Para la tabla 02 Temperatura Inicial Temperatura Final Masa de agua Calor especifico del agua
T0 = 24°C T= 98.5°C m=200g Ce=1 cal/g°C
De la ecuación 1
= ( − ) =1200(98.5−24) = 14.900 PASO 8:
-
LUFFI
Colocamos el agua anterior ya caliente en un vaso de espuma de poliuretano. Colocamos el termómetro en el vaso
7
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
-
Anotamos la temperatura cada 10 segundos durante 4 minutos. Se anotaron los datos en la tabla 03 TABLA 03 t(seg)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
10
92
70
87
130
81
190
78
20
90
80
86.5
140
80.5
200
77.5
30
89
90
85
150
80
210
77
40
88.5
100
84
160
79.5
220
76.5
50
88
110
82.5
170
79
230
76
60
87.5
120
81.5
180
78.5
240
75
PASO 9:
-
Secamos un cubo de hielo con papel toalla Lo introducimos rápidamente en el agua
PASO 10:
-
Continuamos tomando la temperatura cada 10 segundos hasta 4 minutos hielo que el cubo de hielo se haya fundido. Los datos se anotaron en la tabla 04 TABLA 04 t(seg)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
t(min)
T(°C)
10
65
70
63.5
130
62
190
60.5
20
64.5
80
63
140
61.8
200
60.3
30
64
90
62.8
150
61.8
210
60
40
64
100
62.8
160
61.5
220
59.8
50
63.8
110
62.5
170
61
230
59.5
60
63.8
120
62.3
180
60.8
240
59.3
o
Determine el volumen final del agua
Vfinal = 210.5 ml
Este volumen se obtuvo colocando el líquido final en una probeta graduada y viendo el volumen que indica. o
¿Qué masa de agua tenia originalmente?
magua inicial = 200g
Es la masa que se usó inicialmente
LUFFI
8
INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
o
¿Qué masa tenía de hielo originalmente?
mhielo original = 200g
Sabemos que al final se tienen 210.5 ml de agua, es decir 210.5 g de agua, por lo tanto significa que 10.5 g de agua es igual a la masa de hielo que se fundió.
PASO 11:
-
Hacer una gráfica T versus t
La gráfica en papel milimetrado se adjunta en los anexos.
-
Calcular la cantidad de calor total pérdida por el agua mientras el hielo se fundía Temperatura Inicial Temperatura Final Masa de agua Calor especifico del agua
T0 = 65°C T= 59.3°C m=200g Ce=1 cal/g°C
De la ecuación 1
= ( − ) =1200(65−59.3) = 1.14
LUFFI
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INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
MONTAJE 2 – CONVECCIÓN (EN AGUA) PASO 1:
-
En el vaso de precipitado vierta alrededor de 400 ml de agua.
PASO 2:
-
Por el borde del vaso de precipitado deje caer en el agua algunos cristales de permanganato de potasio (KMnO4). (NO AGITAR).
PASO 3:
-
Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados.
PASO 4:
-
Mientras se caliente el agua observamos el movimiento y anotamos las siguientes impresiones explicando lo que pasa: o
o
o
o
LUFFI
Al observar cuidadosamente el calentamiento del agua observamos que el agua caliente en la parte inferior subía hacia la superficie (formando un patrón circular), desplazando el agua fría que se encontraba allí y ésta a su vez, descendía ocupando el lugar dejado por el agua caliente. Esto se pudo apreciar gracias al permanganato de potasio que nos facilitó la observación del flujo de agua. El Permanganato de potasio combinado con el agua modela el movimiento del líquido que es producido por la transferencia de calor por convección. El agua caliente sube hacia la superficie porque al absorber el calor de la llama se vuelve menos densa (dilatación del agua) que el agua fría, es decir, el flujo de agua fría y caliente se debe a la diferencia de densidades producidas por el calentamiento inicial de la porción de agua de la parte inferior del vaso.
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INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
MONTAJE 3 – CONVECCIÓN (EN AIRE) PASO 1:
-
Desglosamos una espiral, recortándolo cuidadosamente.
PASO 2:
-
Hacemos un nudo en el sedal y lo pasamos por un orificio previamente hecho en el centro del espiral
PASO 3:
-
Encendemos el mechero con una llama baja
PASO 4:
-
Colocar la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.
PASO 5:
-
Observamos y anotamos nuestras observaciones del fenómeno o
o
-
Cuando la espiral es colocada sobre el mechero, el aire que está cerca del fuego recibe calor, por consiguiente, el volumen de esta capa de aire aumenta y por eso su densidad disminuirá, 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.
¿Para la espiral confeccionada del otro sentido, el giro sería el mismo? o
o
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.
PASO 6:
-
LUFFI
Señale tres ejemplos en los que observe este fenómeno Cuando una sustancia es forzada a moverse por un ventilador o una bomba, como en algunos sistemas de calefacción de aire. Circulación de aire en una playa es un modo de convección natural. La mezcla que se presenta cuando el agua de la superficie de un lago se enfría y se hunde.
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EVALUACIÓN 1. Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa ¿Cómo sería el grafico? Trácelo y descríbalo.
El gráfico seguiría siendo una recta, sin embargo, la pendiente variará. Recordemos la ecuación que relaciona la temperatura con el tiempo:
= + Donde c es el calor especifico. Ahora bien, el coeficiente de t vendría a ser la pendiente de dicha recta. Es decir:
= Vemos que esta pendiente tiene en su expresión al calor específico c y se relaciona inversamente proporcional a ella. Es decir, a un mayor c la pendiente de la recta será menor, en cambio, a un menor c la pendiente será más pronunciada. Entonces vemos que si trabajamos bajo las mismas condiciones, cambiando solo el agua por otro líquido de mayor calor especifico, la recta tendrá una menor pendiente con respecto a la inicial (para el agua) por lo mencionado líneas arriba.
2. ¿Por qué en el ajuste de la gráfica no se considera el intervalo de 75°C a 100°C?
No se considera debido a que en ese intervalo para los tiempos que pasan la temperatura varia muy poco, y como el termómetro indica las temperaturas para cada 0.5°C, entonces se cometería errores en la toma de temperaturas ya que se obtendrían con imprecisión alterando los resultados al realizar el ajuste de rectas.
LUFFI
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INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
3. Determine el flujo calorífico en cada caso. Físicamente, ¿A quién se debe dicho valor?
Para la tabla 01
=3,290+32,69 Por comparación: 3,290= → (3290) = Reemplazando masa ( = 400 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃) 3,290(400)(1,00) = =1316 ⁄ Luego de aplicar regresión lineal:
Para la tabla 02
=9,897+21,52 3,290= → (9,897) = Por comparación: Reemplazando masa ( = 200 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃) 9,897(200)(1,00) = =1979,4 ⁄ Luego de aplicar regresión lineal:
Para la tabla 03
=−0,068+91,05 3,290= → (3290) = Por comparación: Reemplazando masa ( = 200 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃) −0,068(200)(1,00) = =−13,6 ⁄ Luego de aplicar regresión lineal:
Para la tabla 04
=−0,023+65,05 Por comparación: 3,290= → (3290) = Reemplazando masa ( = 200 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃) 3,290(400)(1,00) = =−4,6 ⁄ Luego de aplicar regresión lineal:
LUFFI
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4. Indique el tiempo que demoró en recorrer el intervalo 80°C y 85°C. Revise el caso registrado entre 50°C y 55°C Usando la ecuación de la tabla 01
=3,290+32,69 Tomando T = 80 y T=85 se tiene
=80=3,290+32,69→ = 14.38 =85=3,290+32,69→ = 15.90 El tiempo que demoro en recorrer fue:
= − =1.52 Usando la ecuación de la tabla 01
=3,290+32,69 Tomando T = 50 y T=55 se tiene
=50=3,290+32,69→ = 5.26 =55=3,290+32,69→ = 6.78 El tiempo que demoro en recorrer fue:
= − =1.52 Se observa que para iguales cambios de temperatura es igual el intervalo de tiempo. 5. ¿Qué relación existe entre las pendientes de las diferentes gráficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos?
De todos los casos se tienen las siguientes relaciones: o
Las pendientes de las gráficas son H/mc donde se observa una relación inversa entre la pendiente y el calor específico del material y también con la masa.
o
Sabemos que un cuerpo con mayor calor específico significa que necesita absorber una mayor cantidad de calor para aumentar su temperatura.
o
Sabemos que un cuerpo con mayor masa, tiende a absorber más calor que un cuerpo con menor masa.
De todo lo anterior se tiene que una gráfica con mayor pendiente indica un menor calor específico y a menor calor especifico que el calor absorbido por el cuerpo es menor. Existe relación inversa entre la pendiente y el calor absorbido.
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INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
6. Investigar y explicar sobre la convección forzada, de ejemplos de aplicación
La convección forzada es el movimiento del fluido generado por fuerzas impulsoras externas. Este tipo de convección forzada tiene como mecanismo la transferencia de calor entre una superficie y un fluido con movimiento que fluye alrededor de la misma, el cual es forzado a circular a través de esta por algún equipo donde se hace variar la presión del fluido de trabajo Ejemplos de aplicación: -
Aplicación de gradientes de presión con una bomba Los ventiladores
7. Los motores automotrices no pueden refrigerarse por sí solos. ¿Qué sistemas usan y que principio de propagación usan para disipar la energía calorífica? Sistemas de refrigeración
Los sistemas actualmente empleados para la refrigeración de los motores, tanto de gasolina como Diesel, son los siguientes:
Refrigeración por aire Refrigeración por agua o mixtos
Refrigeración por aire
Este sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmósfera a través del aire que lo rodea. Para mejorar la conductibilidad térmica o la manera en que el motor transmite el calor a la atmósfera, estos motores se fabrican de aleación ligera y disponen sobre la carcasa exterior de unas aletas que permiten aumentar la superficie radiante de calor. La longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura alcanzada en las diferentes zonas del cilindro, siendo, por tanto, de mayor longitud las que están mas próximas a la cámara de combustión.
LUFFI
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INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
CONCLUSIONES Investigar el comportamiento de la energía térmica
absorbida/disipada por una sustancia líquida. Hacer un estudio comparativo de la cantidad de
calor
absorbida/disipada
para
diferentes
proporciones del líquido. Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos.
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INFORME N°8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN
RECOMENDACIONES Primera recomendación es utilizar mas de un
cubo de hielo para que se pueda verificar el cambio de temperatura. Se puede observar un cambio cuando se calientan los espirales si los coloca al ras del fuego. Agitar el agua en cada momento para tener valores más exactos de temperatura.
LUFFI
17
