LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON PRACTICA N°3 ORTIZ FLORES JESÚSVALECIA MUÑOZ CHRISTIANJOSE URIEL HERNANDEZ AGUILAR
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON Objetivo: 1) Encontrar la relación que existe entre el cambio de temperatura y el tiempo de enfriamiento del agua caliente 2) Aplicar el cambio de variable y el método de mínimos cuadrados para estimar el valor de la constante de enfriamiento (k) y su incertidumbre experimental
Introducción: La transferencia de calor está relacionada con los cuerpos calientes y fríos llamados; fuente y receptor, llevándose a cabo en procesos como condensación, vaporización, cristalización, reacciones químicas, etc. en donde la transferencia de calor, tiene sus propios mecanismos y cada uno de ellos cuenta con sus peculiaridades. La transferencia de calor es importante en los procesos, porque es un tipo de energía que se encuentra en tránsito, debido a una diferencia de temperaturas (gradiente), y por tanto existe la posibilidad de presentarse el enfriamiento, sin embargo esta energía en lugar de perderse sin ningún uso es susceptible de transformarse en energía mecánica por ejemplo; para producir trabajo, generar vapor, calentar una corriente fría, etc. En virtud de lo anterior es importante hacer una introducción al conocimiento de los procesos de transferencia de calor a través de la determinación experimental de la ecuación empírica que relaciona la temperatura de enfriamiento de una cantidad de sustancia con respecto al medio. Experimentalmente se puede demostrar y bajo ciertas condiciones obtener una buena aproximación a la temperatura de una sustancia usando la Ley de Enfriamiento de Newton. Esta puede enunciarse de la siguiente manera: La temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a la diferencia de las temperaturas entre el medio externo y el cuerpo. Suponiendo que la constante de proporcionalidad es la misma ya sea que la temperatura aumente o disminuya
Reseña Histórica En la Inglaterra de la época de Newton existía un gran problema de
falsificación de moneda. Newton abordó el problema de acabar con la falsificación. Primero se construyó un termómetro. Su termómetro funcionaba como el bien conocido termómetro de mercurio, un depósito con un líquido que asciende por un tubo capilar calibrado cuando se calienta. Newton no utilizó mercurio sino aceite de semillas de lino, que hierve a una temperatura de 240 grados Celsius, como líquido para su termómetro. Eligió como cero de su termómetro la temperatura de fusión del hielo, fácil de reproducir, y como 12 grados N (Newton) eligió la temperatura del cuerpo humano Sus escalas se acercaban bastantes a las actuales especialmente a los grados Celsius. Newton a continuación estudió cómo se enfriaban los cuerpos, especialmente los metales, que se encontraban a alta s temperaturas. La variación de temperatura de un cuerpo respecto de la temperatura de la habitación en la que se encuentra, es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y la habitación. Esta proporcionalidad en la variación implica un enfriamiento exponencial en el tiempo de un cuerpo muy caliente colocado en una habitación a temperatura ambiente. La transferencia de calor está relacionada con los cuerpos calientes y fríos llamados; fuente y receptor, llevándose a cabo en procesos como condensación, vaporización, cristalización, reacciones químicas, etc. en donde la transferencia de calor, tiene sus propios mecanismos y cada uno de ellos cuenta con sus peculiaridades. La transferencia de calor es importante en los procesos, porque es un tipo de energía que se encuentra en tránsito, debido a una diferencia de temperaturas, y existe la posibilidad de presentarse el enfriamiento.
Instrumentos (con incertidumbre)
Soporte universal (con pinzas y nuez)…. Termómetro……………………………... 0.5° Vaso de precipitado (150 ml)……………. 0.01 Parrilla ……………………………………
Modelo Matemático
Desarrollo a) Para la medición de Ta, se mide la temperatura del agua de la llave, argumentando la ley cero de la termodinámica y cuidando que la temperatura del termómetro se haya bajado previamente. b) Se calienta agua en una parrilla a más de 70°C. Se vacía en un vaso de precipitado c) Se mete la punta del termómetro y se empieza a medir el tiempo. En t=0 min como primer punto, se registra ΔT=T-Ta, en donde T es la temperatura a la que se calentó el agua y Ta la temperatura ambiente del agua de la llave. Recuerde que ΔT es una medición indirecta. d) Después de un min , en t=1 min, se lee la temperatura en el termómetro y se registra ΔT para el segundo punto y así se sigue hasta tener los puntos necesarios. Nota: Después de pasado un tiempo, se encontrara con que en un minuto no a cambiado la temperatura y es este el momento en que conviene cambiar el tiempo de medición por el de medir el tiempo (2 o 3 minutos) que tarda en observarse un cambio en la temperatura. e) Se tabula y se registra con sus respectivas incertidumbres para ver la forma de curva y para buscar la relación con sus unidades en las constantes. Recordar que para llegar a esta ecuación se usan logaritmos naturales.
Tabla y Grafica Temperatura ambiente del agua “Ta” (En este caso Ta = 20°) Temperatura del agua caliente “T” (En este caso iniciamos desde los T = 68°C) Diferencia de temperatura
Tiempo (s)
Temperatura (°C)
“ΔT = Ta – T”
ΔT
1
68
48
3
65
45
5
62
42
7
60
40
9
58
38
11
56
36
13
54
34
15
53
33
17
52
32
19
51
31
21
50
30
23
49
29
25
48
28
27
47
27
29
46
26
31
45
25
33
44
24
35
43
23
37
42
22
39
41
21
41
40
20
43
39
19
48
38
18
53
37
17
58
36
16
Ley de enfriamiento 60 ) C ° ( T
50
Δ
40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Tiempo (s)
70
En este caso para el cambio de variable sacamos logaritmo natural de ΔT contra el tiempo para así poder obtener una gráfica recta Tiempo (s)
log ΔT (°C)
1
0
3
1.098612289
5
1.609437912
7
1.945910149
9
2.197224577
11
2.397895273
13
2.564949357
15
2.708050201
17
2.833213344
19
2.944438979
21
3.044522438
23
3.135494216
25
3.218875825
27
3.295836866
29
3.36729583
31
3.433987204
33
3.496507561
35
3.555348061
37
3.610917913
39
3.663561646
41
3.713572067
43
3.761200116
48
3.871201011
53
3.970291914
58
4.060443011
y = -0.0193x + 3.8164 R² = 0.9903
Cambio de Variable 4.5 ) C ° ( T
Δ
g o l
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
10
20
30
40
50
60
Tiempo (s)
70
Observaciones:
Conclusión:
Bibliografía: http://www.slideshare.net/cemepn/ley-de-enfriamiento-de-newton-16840945 http://ciencia-basica-experimental.net/newton.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Enfriamiento_newtoniano Manzur, A., Experimentos de Demostración para Física I y II, Ed. UAM, 1992. Resnick, R., Halliday, D. y Krane, K., Física, Parte 1, Ed. CECSA, México 1993.
