Informe 8 Calor Absorbido Disipado Conveccion

LABORATORIO DE FÍSICA II

INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

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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


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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


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III.

FUNDAMENTO TEÓRICO

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 = mc (T- T0 ) Donde,

c = calor especifico T0 = Temperatura inicial 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, H=

Se tiene:

dQ dt

dQ dt

=

= mc

cte dT dt = H, 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. Es una función lineal, donde H/mc representa la pendiente t T0 la temperatura inicial.


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LABORATORIO DE FÍSICA II 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 coinciden con el trabajo realizado; la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor, es positivo cuando absorbe calor y negativo cuando disipa calor.

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. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejo la caliente. 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. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. 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 el área del cuerpo en contacto con el fluido, es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.


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IV.

PROCEDIMIENTO Montaje 1 Calor absorbido/disipado 1. Montamos el equipo como muestra.

se

2. Colocamos 400 g de agua en el vaso pirex a temperatura del ambiente, casi hasta la parte superior.

3. Anotamos el valor de la temperatura y el volumen del agua. T 0 =24 ° C

V =400 ml


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4. Encendimos el mechero. Buscamos un flujo aproximadamente constante. La llama no debe estaba muy fuerte ni estuvo muy cerca del vaso.

5. Medimos la distancia entre la llama y el vaso. Tuvimos que mantener esta distancia todo el experimento para que no varíen las condiciones experimentales. 6. Agitamos el agua previamente para leer la temperatura cada 30 segundos hasta llegar al punto de ebullición. Anotamos los datos en la Tabla 1 TABLA 1 magua=400 g

t (min)

T(°C)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

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 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0

52 54 56 58 61 62 64 66 67 69 71 72.5

12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0

74 75 77 78 79 80 81 81.5 82 83 84 85


t (min)

T(°C)

18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0

86 87 88 88.5 89 89.5 90 90.5 91 92 93.5 94 PÁGINA 7


7. Repetimos los pasos 1 y 5 bajo las mismas condiciones anteriores; ahora usando la mitad de la cantidad de agua anterior. Anotamos los datos en la Tabla N°2. TABLA 2 magua=200 g Temperatura inicial = 30 °C t (min) T(°C) t (min) T(°C) t (min) T(°C) 0.5

34

3.5

63

6.5

83

1.0

38

4.0

67

7.0

86

1.5

42

4.5

69.5

7.5

89

2.0

48

5.0

73

8.0

92.5

2.5

53

5.5

76

8.5

96

3.0

58

6.0

80

9.0

99

8. Graficamos la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los 2 casos anteriores. Gráfica de la tabla 1


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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)


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LABORATORIO DE FÍSICA II 9. Determinamos la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75°C.

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 )−( 175.5 ) ( 1364.5 ) =3.96 2 26 ( 1550.25 )− ( 175.5 )

b=

( 1550.25 ) (1364.5)−(175.5)(10657) =25.78 2 26 ( 1550.25 )−( 175.5) H ' ⇒ m = mc =3.96 y b=T 0=25.78 ° C ⇒ T f =3.96 t+25.78



Para la tabla 2: p = 11


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LABORATORIO DE FÍSICA II m' =

b=

11 ( 2104.75 )−( 33 ) ( 621.5 ) =8.74 2 11 ( 126.5 ) −( 33 )

( 126.5 ) (621.5)−(33)(2104.75) =30.29 11 ( 126.5 )−( 33 )2 H ' ⇒ m = mc =8.74 y b=T 0 =30.29° C ⇒ T f =8.74 t+30.29

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; comparamos los valores de tiempo correspondientes a cada temperatura, aquél que presente menor

masa,

por

una temperatura mayor presentará lo

tanto,

el

que

presente

menor

temperatura será la gráfica para la mayor masa. En la gráfica será aquella que tenga la pendiente menor. 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

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LABORATORIO DE FÍSICA II Q=400 (1 ) ( 94−24 )=28 kcal Para la tabla 2: Q=200 ( 1 ) ( 99−30 )=13.8 kcal

10. Echamos esa agua caliente en la probeta graduada hasta 200ml. Luego echamos en el vaso de espuma de poliuretano. Colocamos un termómetro en el vaso de espuma y tomamos la temperatura cada 10 segundos durante 4 minutos. Anotamos los datos en la Tabla 3. 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

80.5

20

91

80

86.5

140

83.5

200

80

30

90

90

86

150

83

210

79

40

89.5

100

85.5

160

82.5

220

78.5

50

89

110

85

170

82

230

78

60

88

120

84.5

180

81.5

240

77.5

10. Secamos un cubo de hielo con una toalla de papel e introducimos en el agua.


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11. Continuamos tomando la temperatura cada 10s, hasta 4 minutos después que el cubo de hielo se fundió. Anotamos los datos en la Tabla 4. TABLA 4 t (s) 10 20 30 40 50 60

T(°C) 69 69 68.5 68 68 67.5

t (s) 70 80 90 100 110 120

T(°C) 67 66.5 66.5 66 66 66

t (s) 130 140 150 160 170 180

T(°C) 66 66 65.5 65 65 64.5

t (s)

T(°C) 64.5

190

64

200

64

210

63.5

220

63.5

230

63.5

240

Determine el volumen final del agua.

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 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


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LABORATORIO DE FÍSICA II mhielo ( original )=ρ . V hielo ( original )=0.92 ( 10 ) =9.2 g Calculamos la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía. Q=mc ∆ T c agua =1,00

cal g .° C

Qinicial =200 ( 1 )( 77.5−69 )=1700 cal

Hacemos la gráfica de T vs t.

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. En el vaso de precipitados echamos alrededor de 200ml de agua.


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2. Por el borde del vaso de precipitados dejamos caer en el agua algunos cristales de Permanganato de potasio.

3. Con la llama baja colocamos el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados.


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LABORATORIO DE FÍSICA II 4. Mientras se calentaba, observamos atentamente el agua coloreada.

Fue subiendo a la superficie del agua en forma de un espiral, 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, donde las capas inferiores que están más en contacto con el mechero aumentan su volumen y disminuyen su densidad, por lo cual asciende la columna del liquido, mientras que las capas superiores, que están frías, se mueven hacia abajo. Montaje 3 Convección (Aire) 1. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente. 2. Haga un nudo en el sedal y páselo por un orificio previamente hecho en el centro del espiral. 3. Encienda el mechero con una llama baja. 4. Cuelgue la espiral entre los 15 y 20 cm por encima del mechero. 5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones 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 INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

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LABORATORIO DE FÍSICA II 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. ¿Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, 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. 6. Señale tres ejemplos en los que observe este fenómeno. A) Cuando una sustancia es forzada a moverse por un ventilador o una bomba, como en algunos sistemas de calefacción de aire. B) Circulación de aire en una playa es un modo de convección natural. C) La mezcla que se presenta cuando el agua de la superficie de un lago se enfría y se hunde. V.

EVALUACIÓN 1. Si en el paso 9 en lugar de agua utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa, ¿Cómo sería el grafico? trácelo y descríbalo. Se observa una relación inversa entre el calor especifico de una sustancia con la pendiente de la recta .Como en nuestro caso la masa se mantiene constante y el calor especifico es mayor , en consecuencia la pendiente de la recta disminuye su valor .Gráficamente seria de la siguiente manera:

T(°C) vs t (s)


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2. 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. Determine el flujo calorífico en cada caso. Físicamente, ¿a quién se debe dicho valor?

4. Indique el tiempo que demoro en recorrer el intervalo 80°C y 85°C. Revise el caso registrado entre 50°C y 55°C. Para la tabla 1: Para el intervalo (80-85) es: 1 minuto 30 segundos aprox. Para la tabla 2: Para el intervalo (80-85) es: 30 segundos aprox. 5. ¿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

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LABORATORIO DE FÍSICA II Se trata de trabajar con las mismas condiciones, para notar la diferencia que hay cuando se trabaja con un volumen de agua, para luego trabar con la mitad de ese volumen. 6. Investigue y explique sobre la convención forzada, 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. "esta fuerza motriz exterior puede ser un ventilador, una bomba, el viento, etc. 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. Los motores automotrices no pueden refrigerarse por si solos, ¿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, varios sistemas simultáneamente. Estos serían los principales: Por agua (por termosifón o por circulación forzada), por aire (el de la marcha o forzado con ventilador), mixta y por aceite.

8. En las minas subterráneas se presenta el problema de la circulación de aire. Investigue que sistemas usan y con qué principio físico se desarrollan. 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. Para ello es indispensable que lamina tenga dos labores de acceso independientes dos pozos dos socavones! un pozo y un socavón! etc."n las labores que sólo tienen un acceso por ejemplo una INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

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LABORATORIO DE FÍSICA II galera en avance es necesario ventilar con ayuda de una tubería. La tubería se coloca entre la entrada a la labor y el final de la labor. "esta ventilación se conoce como secundaria! en oposición a la que recorre toda la mina que se conoce como principal 9. Se sabe que el Sol está constituido por diversos gases, investigue usted cómo ocurre el transporte de energía a través de él. 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 en la zona conectiva. Los fluidos en esta zona se dilatan al ser calentados y disminuyen su densidad, por ende, 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.

VI.

CONCLUSIONES  De esta experiencia concluimos que los fluidos se desplazan de zonas calientes a zonas con menor temperatura, esto se comprobó observando el desplazamiento del permanganato.


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LABORATORIO DE FÍSICA II  En general a mayor masa mayor es el tiempo en calentar el agua.  El calor absorbido por un cuerpo depende de la masa del cuerpo y el tiempo que se le suministra un flujo calórico. Para un cuerpo de mayor masa demora más en cambiar su temperatura que para uno de menor masa.  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 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.  El fenómeno de convección permite explicar muchos de los cambios que ocurren en nuestro alrededor.

VII.

RECOMENDACIONES  Tener cuidado al realizar el laboratorio para prevenir lesiones o dañar alguno de los instrumentos empleados.  Tener una buena posición para medir la temperatura  Tener cuidado al momento de sacar el agua hervida

VIII.

BIBLIOGRAFÍA


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LABORATORIO DE FÍSICA II  http://www.monografias.com/trabajos93/practicadensidad/practica-densidad.shtml  http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_mecanica/den sidades_udesa1.pdf  http://www.cienciaredcreativa.org/guias/densidad.pdf  http://aleph.eii.us.es/palmero/docencia/arquimedes.pdf  http://books.google.com.pe/books? id=1KuuQxORd4QC&printsec=frontcover&hl=es#v=onepag e&q&f=false.

IX.

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, se trata de instalar paneles reflectantes en los radiadores, según la OCU se consigue un ahorro de energía de entre un 10% y un 20%. 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“. Como no todo lo que brilla es oro, vamos a ver que “peros” puede tener este sistema.

RADIACION Y CONDUCCION


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LABORATORIO DE FÍSICA II Antes de seguir leyendo, si no tienes claro la diferencia entre radiación y convección te recomendamos echar un vistazo al post “Radiación, conducción y convección, tres formas de transferencia de calor“. Los radiadores de calefacción (de agua) emiten energía térmica por dos fenómenos, radiación y convección, pero por las temperaturas superficiales que alcanzan (alrededor de 70ºC), la mayor parte de la energía se transmite por convección

(80% aproximadamente).

Los paneles reflectantes se supone que hacen que “rebote” el calor, pero solo el que se emite por radiación, ya que el disipado por convección sube casi verticalmente junto con la masa de aire. Por lo tanto la parte que en teoría podría “rebotar” INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

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LABORATORIO DE FÍSICA II (radiación) es minoritaria, lo que empieza a hacer poco creíble ese ahorro del 10%-20%.


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Informe 8 Calor Absorbido Disipado Conveccion

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