LABORATORIO DE FÍSICA II UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA)
FACULTAD DE QUIMICA E ING.QUIMICA E.A. P DE ING.QUIMICA TEMA: CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN (EXPERIENCIA 8) CURSO: PROFESOR:
LABORATORIO DE FISICA II Lic. Fanny Morí Escobar
INTEGRANTES:
NOMBRES LEON THUPA, Saúl
CÓDIGO 15070120
LOPEZ ANTAYHUA, Karla
15070032
CORNELIO VIDAL, Ruth
15070134
MALLMA CAMAC, Nataly
14170255
2016 INFORME N°8 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN
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LABORATORIO DE FÍSICA II
CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN I.
OBJETIVO
II.
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.
MATERIALES
Equipo de calentamiento (machero bunsen)
Soporte Universal
1 clamp
1 pinza de agarradera
1 termómetro digital
1 vaso de precipitado 500 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 Líquido: agua
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LABORATORIO DE FÍSICA II III.
FUNDAMENTO TEÓRICO
El calor absorbido o disipado es la cantidad de energía térmica que se desprende o se adhiere a un cuerpo. Convección es una de las formas de propagación de calor y se da como observamos durante el experimento en fluidos tanto como en el aire. El cambio de temperatura provoca un cambio de densidades lo cual hace que las moléculas del aire se muevan. Como aplicación se puede usar para elegir materiales de mejor calidad para un proceso determinado donde se use calor, ya sea si se necesita un material el cual absorba menos calor o más calor dependiendo de lo que se necesite. Sabiendo el calor especifico absorbido por un cuerpo esta selección puede ser mucho más fácil y efectiva. En el caso de la convección un ejemplo claro es el uso de los globos aerostáticos, se observa claramente como para lograr una mayor altura se intensifica la potencia de la llama lo cual hace que se eleve más el globo. IV.
PROCEDIMIENTO Montaje 1 Calor absorbido/disipado 1. Montamos el equipo como muestra la guía. 2. Colocamos en el vaso pirex agua a temperatura del ambiente, casi hasta la parte superior. 3. Anotamos el valor de la temperatura y el volumen del agua.
= 20° = 400 4. Encendemos el mechero. Buscamos un flujo aproximadamente constante. La llama no debe ser muy fuerte ni estar 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 varien las condiciones experimentales. Distancia 0.
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LABORATORIO DE FÍSICA II 6. Agitamos el agua previamente y leemos la temperatura cada 30s hasta llegar al punto de ebullición. Anotamos los datos en la Tabla N°1. TABLA 1 (m = 400 g) TABLA 1
(°) () (°) () (°) ()
( = )
23.5
24
24.5
25
26
28
29.5
31
38.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
44
48
52
54
56
58
60
62
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
64
66
68
70
72
74
76
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
7. Repita los pasos 1 y 5 bajo las mismas condiciones anteriores; ahora use la mitad de la cantidad de agua anterior. Anote los datos en la Tabla N°2. TABLA 2 (m/2 = 200 g)
(°) ()
23.5
27.5
29
32
35
40
41.5
43
50
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
(°) ()
55
58
59
62
66
69
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
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73.5 7.5
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LABORATORIO DE FÍSICA II
8. Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los 2 casos anteriores. Gráfica de la tabla 1
T (°C) vs. t (min) 120 100 80 ) C ° ( T
60 40 y = 3.8709x + 22.7862 20 0 0
200
400
600
800
1000
1200
t (min)
Gráfica de la tabla 2
T (°C) vs. t (min) 120 y = 6.7357x + 22.2762
100 80 ) C ° ( T
60 40 20 0 0
100
200
300
400
500
600
t (min)
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LABORATORIO DE FÍSICA II 9. Determine la ecuación de la grafica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75°C. De los gráficos :
Para la gráfica (masa =400g): Se trabajará con solo los datos hasta la temperatura de 750C ya que la gráfica tendrá la misma tendencia:
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0
23.5 24 24.5 25 26 28 29.5 31 33.5 35 37.5 40 42.5 45 48 50 53 55.5 58.5 61 64 66 69 72 74
= = .
0 0.25 1.0 2.25 4.0 6.25 9.0 12.25 16.0 20.25 25 30.25 36 42.25 49 56.25 64 72.25 81 90.25 100 110.25 121 132.25 144
0 12 24.5 37.5 52 70 88.5 108.5 134 157.5 187.5 220 255 292.5 336 375 424 471.25 526.5 579.5 640 693 759 828 888
= = .
Se halla la pendiente y el intercepto:
−∑ ∑ = . y = ∑ ∑−∑ ∑ = . = ∑ ∑−(∑) ∑−(∑)
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Para la gráfica (masa =300g): Se trabajará con solo con los datos hasta la temperatura de 750C ya que la gráfica tendrá la misma tendencia:
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
=
23.5 27.5 29 32 35 40 41.5 43 50 55 58 59 62 66 69 73.5
0 14.25 29 48 70 100 124.5 150.5 200 247.5 290 324.5 372 429 483 551.25
= . = .
0 0.25 1.0 2.25 4.0 6.25 9.0 12.25 16.0 20.25 25.0 30.25 36.0 42.25 49 56.25
=
Se halla la pendiente y el intercepto:
−∑ ∑ = . = ∑ ∑−(∑)
y
∑−∑ ∑ = . = ∑ ∑ −(∑)
De los dos gráficos ¿Cómo identificarías 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 de temperatura, aquel que presente una temperatura mayor presentará mayor masa por lo tanto el que presente menor temperatura será la gráfica para la mayor masa. En la gráfica será aquella que tenga la pendiente menor. Determine la cantidad de calor absorbido para cada caso Se usa la ecuación (3) para hallar el calor absorbido para cada masa de agua empleada: Para
= 400: = = 20.2
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LABORATORIO DE FÍSICA II Para
= 300: = = 10
Se nota que el calor absorbido es mayor en la primera cantidad de agua, lo cual demuestra que a mayor masa se necesitará más calor.
10. Vierta esa 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 cada 10 segundos durante 3 minutos. Anote los datos en la Tabla N°3.
TABLA 3
(°) ()
68.5
68.5
68
68
68
68
67
67
66.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
(°) ()
66
66
66
66
65.5
65
90
100
110
120
130
140
65 150
11. Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introdúzcalo en el agua. 12. Continúe tomando la temperatura cada 10s, agitando suavemente, hasta 3 minutos después que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la Tabla N°4. TABLA 4
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(°) ()
65
61.6
56
53
51
50
50
50
50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Aproximadamente al minuto: Determina el volumen final del agua. V=192 ml ¿Qué masa tenía el agua originalmente? mo =190.08 g ¿Qué masa tenía el hielo originalmente? mh =11.6162g 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. 13. Haga una gráfica de T versus t. Gráfica de la tabla 4
T (°C) vs. t (s) 69 68 y = -0.029x + 68.71 67 ) C ° ( T
66 65 64 63 0
50
100
150
200
t (s)
Calcula la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía.
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= ∆ = 1,00 ⁄.° Montaje 2 Convección (Agua) 1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 200ml de agua. 2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de Permanganato de potasio. 3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados. 4. Mientras se calienta, observe atentamente el agua coloreada. 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 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.
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LABORATORIO DE FÍSICA II ¿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. La generación de vientos b. Tormentas c. Ciclones y anticiclones V.
EVALUACIÓN 1. Si 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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LABORATORIO DE FÍSICA II 2. ¿Cuál es la razón de que en este experimento la temperatura no considera el intervalo de 75°c a 100°c? La temperatura hubiese llegado a 100°c si se hubiese trabajado bajo una atmosfera de presión que es la presión atmosférica al nivel del mar, como en el laboratorio nos encontramos a unos cuantos metros sobre el nivel del mar no se logró observar que el agua llegase a hervir a dicha temperatura, ebullira un líquido y es por eso que el agua hirvió al llegar a los 97°c aproximadamente. 3. Determine el flujo calorífico en cada caso. Físicamente, ¿a qué se debe dicho valor?
= 400: = 3.8709 De donde: = 3.8 709 ×400 × 1 = 1548.36 / Para = 200 : = 6.7357 De donde: = 6.7 357 ×200 × 1 = 1347.14 / Para
Se nota que el flujo calorífico es mayor en la primera cantidad de agua, lo cual demuestra que a mayor masa se necesitará más calor. 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 la pendiente del gráfico T = T(t) con la cantidad de calor?
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LABORATORIO DE FÍSICA II Si vemos el gráfico de temperatura vs tiempo veremos que la pendiente expresa la variación de la primera respecto al tiempo siendo el ángulo de la pendiente mayor cuando la masa que se analizo es menor. Para nuestro caso vemos que la pendiente de la gráfica que corresponde a 200g es mayor que la correspondiente a la de 400g de agua. En conclusión si analizamos únicamente una gráfica veremos que cuando el ángulo de la pendiente es constante entonces la cantidad de calor es constante, pero si comparamos las 2 graficas vemos que para una determinada variación de tiempo la variación de temperatura es distinta por lo que si se quiere hacer igual dicha variación habría que variar la cantidad de calor. 6. Investigue y explique sobre la convección forzada, de un ejemplo de aplicación.
Se dice que es aquel mecanismo de 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. 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. Esa fuerza motriz exterior puede ser: Un ventilador, una bomba, el viento, aplicación de gradientes de presión con una bomba, un soplador, 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. Estos serían los principales:
Por agua (por termosifón).
Por circulación forzada.
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Por aire (el de la marcha o forzado con ventilador), mixta.
Por aceite.
Los refrigerantes, se aprovechan en muchos sistemas para refrigerar también el motor del compresor, normalmente un motor eléctrico, por lo que deben ser buenos dieléctricos, es decir, tener una baja conductividad eléctrica. 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.
El aire subterráneo está contaminado por gases peligrosos, como CO, NOx, y CO2, procedentes de los equipos movidos por motores diésel y de las voladuras; además, se puede encontrar naturalmente en el suelo radón y metano (en las minas de carbón). La ventilación consume una cantidad considerable de energía, normalmente 100 GWh/año, lo que puede llegar a representar hasta 50 por ciento del consumo total de energía de una mina. Ventilación de mina es el proceso mediante el cual se hace circular por el interior de la misma el aire necesario para asegurar una atmosfera respirable y segura para el desarrollo de los trabajos. La ventilación se desarrolla estableciendo un circuito para el recorrido del aire a través de todas las labores. Para ello es indispensable que la mina tenga dos labores de acceso independientes, dos pozos, dos socavones; un pozo y un socavón, etc. Las labores que solo tienen un acceso por ejemplo: galería en avance es necesario ventilar con ayuda de una tubería. La tubería se coloca en la entrada a la labor y en el final de la labor
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 convectiva. 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
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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.
En el experimento se obtuvo los siguientes datos: TABLA
ECUACIÓN
1
y = 3.8709x + 22.7862
2
y = 6.7357x + 22.2762
Donde la ecuación representa: T° = H/cm * t + b
VII.
-
m es la pendiente y b es un punto de paso.
-
H es el flujo calorífico
-
C es e calor especifico
-
m es la masa
En general a mayor masa mayor es el tiempo en calentar el agua.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.monografias.com/trabajos93/practica-densidad/practicadensidad.shtml
http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_mecanica/densidades _udesa1.pdf
http://www.cienciaredcreativa.org/guias/densidad.pdf
http://aleph.eii.us.es/palmero/docencia/arquimedes.pdf
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http://books.google.com.pe/books?id=1KuuQxORd4QC&printsec=front cover&hl=es#v=onepage&q&f=false.
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