UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Uiversi!a! !el "er#$ DECANA DE AMÉRICA%
FACULT ACULTAD AD DE D E CIENCIAS CIENCI AS FÍSICAS FÍSI CAS La&ora'orio !e Física II
EXPERIENCIA N°8: CALOR ASORIDO!DISIPADO Y CONVECCI"N
PROFESOR:
Luis Flores Ramos
CURSO:
Física II
HORARIO:
Jueves 12:00 – 14:00 h
INTEGRANTES:
Iparraguirre Tamariz Joel
201
15190147
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
O#ETIVOS Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una sustancia líquida. Hacer un estudio comparativo de la cantidad absorbido/disipado para diferentes proporciones del líquido.
de
calor
MATERIALES
Equipo de calentamiento (machero bunsen) Soporte Universal 1 clamp 1 pinza de agarradera 1 termoó metro digital 1 vaso de precipitado 500 mL gua potable !apel toalla 1 vaso de espuma de poliuretano de "00 g (# onzas) apro$imadamente% &ronoó metro &ubos de hielo ("5 g apro$imadamente) !apel milimetrado L'óquido agua
FUNDAMENTO TE"RICO
"3g, 2
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci 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 – T 0 Q ! mc (T" T 0 #onde$
c ! calor especi%co T0 ! Temperatura inicial de re&erencia T: Temperatura 'inal
El suministro de energía térmica por unidad de empo a un cuerpo$ corresponde a que este reci)e un *u+o calorí%co ,. -i el *u+o es constante$ ,!
-e ene:
dQ dt
dQ dt
! mc
! cte dT ! ,$ luego dT ! dt
H dt mc
ntegrando e iterando se ene: T
∫ dT
!
T 0
T!
H mc
H mc
t
∫ dt 0
t / T0
La ecuación ( relaciona la temperatura con el empo. Es una &unción lineal$ donde ,1mc representa la pendiente t T 0 la temperatura inicial. -i el cuerpo se encuentra en un sistema adia)2co$ el tra)a+o de dilatación se reali3a a e4pensas de la energía interna. -in em)argo$ la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coinciden con el tra)a+o reali3ado5 la energía adquirida de esta manera se denomina candad de calor$ es posivo cuando a)sor)e calor 6 negavo cuando disipa calor.
CONVECCIÓN La convección es una de las tres &ormas de trans&erencia de calor 6 se caracteri3a porque se produce por intermedio de un *uido (líquido o gas que transporta el calor
!aóg%
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci entre 3onas con di&erentes temperaturas. La convección se produce 7nicamente por medio de materiales *uidos. Lo que se llama convección en sí$ es el transporte de calor por medio del movimiento del *uido$ por e+emplo: al trasegar el *uido por medio de )om)as o al calentar agua en una cacerola$ la que est2 en contacto con la parte de a)a+o de la cacerola se mueve 8acia arri)a$ mientras que el agua que est2 en la super%cie$ desciende$ ocupando el lugar que de+o la caliente. La trans&erencia de calor implica el transporte de calor en un volumen 6 la me3cla de elementos macroscópicos de porciones calientes 6 &rías de un gas o un líquido. -e inclu6e tam)ién el intercam)io de energía entre una super%cie sólida 6 un *uido o por medio de una )om)a$ un venlador u otro disposivo mec2nico (convección mec2nica$ &or3ada o asisda. En la trans&erencia de calor li)re o natural un *uido es m2s caliente o m2s &río 6 en contacto con una super%cie sólida$ causa una circulación de)ido a las di&erencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el *uido. La trans&erencia de calor por convección se e4presa con la Le6 del En&riamiento de 9eton:
#onde es el coe%ciente de convección (ó coefciente de película $ es el 2rea del cuerpo en contacto con el *uido$ es la temperatura en la super%cie del cuerpo 6
es la temperatura del *uido le+os del cuerpo.
PROCEDIMIENTO Montaje 1: Calor absorbido/disipado
"3g, 4
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
1. *ontamos el equipo como muestra la gu'óa% 2. &olocamos en el vaso pire$ agua a temperatura del ambiente+ casi hasta la parte superior% 3. notamos el valor de la temperatura , el volumen del agua% T 0=20 ° C
V = 400 mL
4. Encendemos el mechero% -uscamos un .lu/o apro$imadamente constante% La llama no debe ser mu, uerte ni estar mu, cerca del vaso% 5. *edimos la distancia entre la llama , el vaso% uvimos que mantener esta distancia todo el e$perimento para que no var'óen las condiciones e$perimentales% 2istancia 0% 6. gitamos el agua previamente , leemos la temperatura cada 0s hasta llegar al punto de ebullicioó n% notamos los datos en la abla 341% TABLA 1 (m 4!! "# T ($C#
21
22.5
25
2%.5
3!
32.5
35
3%.5
4!
42.%
45.2
4&
6%5
5
55%5
5#%5
71
7%
75%5
7#
80
8"%5
8%
%6
8#
#0
#"
#
#7
#8%5
#6
60%5
6"
6
6
t (s#
3!
6!
'!
12!
15!
1&!
21!
24!
2%!
3!!
33!
36!
60
"0
50
#0
510
50
580
700
70
770
760
%2!
850
8#0
#10
#0
#80
600
60
670
660
10" 0
105 0
%. 9epita los pasos 1 , 5 ba/o las mismas condiciones anteriores: ahora use la mitad de la cantidad de agua anterior% note los datos en la abla 34"% TABLA 2 (m/2 2!! "#
!aóg% 5
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
T ($C#
22
&2.5
#7%#
2 % 61
33
3'.5
45.5
51.3
6%5
68%#
;
;
5 % ;
62.5 ;
6 & ;
%2.&
%%.5
;
;
t (s#
3!
6!
'!
12!
15!
1&!
21!
24!
2%!
3!!
33!
36!
60
"0
50
#0
;
;
;
;
;
;
;
&.
T (°C) vs. t (s) ?00 &(4 ! 0.0>4 / ?B.B
B0 >0 A0 ) C ° ( T
=0 @0 <0 0 ;0 ?0 0
0
;00
<00
=00
>00
?000
?;00
t (s)
Gráfica de la tabla 2
"3g,
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
T (°C) vs. t (s) ?;0 ?00
&(4 ! 0.?A4 / ?B.0
>0 ) C ° ( T
=0 <0 ;0 0
0
?00
;00
00
<00
@00
=00
t (s)
'. 2etermine la ecuacioó n de la graó .ica por el meótodo de m'ónimos cuadrados+ considerando la temperatura hasta 854&% Para la tabla 1: p = 26
m ' =
b=
(
)−( 175.5 ) ( 1364.5 ) =3.96 26 ( 1550.25 ) −( 175.5 )
26 10657
2
( 1550.25 ) ( 1364.5 )−(175.5 )( 10657 ) =25.78 26 ( 1550.25 )−( 175.5 ) 2
⇒
'
m=
H =3.96 y b =T 0=25.78 ° C mc ⇒
T f =3.96 t + 25.78
Para la tabla 2: p = 11 m' =
b=
(
)−( 33 ) ( 621.5 ) =8.74 11 ( 126.5 ) − ( 33 )
11 2104.75
2
( 126.5 ) ( 621.5)−(33 )( 2104.75 ) =30.29 11 ( 126.5 ) −( 33 ) 2
⇒
'
m=
H =8.74 y b =T 0 =30.29 ° C mc
!aóg% 8
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci ⇒
T f =8.74 t + 30.29
e los dos "r)*i+os ,C-mo identi*i+aras el l0ido 0e tiene maor masa !ara poder identi.icar cual graó .ica pertenece a un l'óquido de ma,or masa tomamos un valor de tiempo comparamos los valores de tiempo correspondientes de temperatura+ aquel que presente una temperatura ma,or presentaraó ma,or masa por lo tanto el que presente menor temperatura seraó la graó .ica para la ma,or masa% En la graó .ica seraó aquella que tenga la pendiente menor%
0 rela+i-n eiste entre la pendiente del "r)*i+o T T(t# +on la +antidad de +alor Si vemos el graó .ico de temperatura vs tiempo veremos que la pendiente e$presa la variacioó n de la primera respecto al tiempo siendo el aó ngulo de la pendiente ma,or cuando la masa que se analizo es menor% !ara nuestro caso vemos que la pendiente de la graó .ica que corresponde a "00g es ma,or que la correspondiente a la de 00g de agua% En conclusioó n si analizamos uó nicamente una graó .ica veremos que cuando el aóngulo de la pendiente es constante entonces la cantidad de calor es constante+ pero si comparamos las " gra.icas vemos que para una determinada variacioó n de tiempo la variacioó n de temperatura es distinta por lo que si se quiere hacer igual dicha variacioó n habr'óa que variar la cantidad de calor%
"3g, +
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
10% =ierta esa agua caliente en la probeta graduada hasta "00ml% Luego vieórtalo en el vaso de espuma de poliuretano% &oloque un termoó metro en el vaso de espuma , tome la temperatura cada 10 segundos durante minutos% note los datos en la abla 34%
TABLA 3 T ($C# &4.%
'1.5
'!.5
'!
&'.2
&&.&
&&
&%.3
&6.'
&6.2
&5.6
&5
#
#%5
#"%6
#"%7
#"
#1%7
;
;
;
;
;
t (s#
1!
2!
3!
4!
5!
6!
%!
&!
'!
1!!
11!
12!
10
10
150
170
180
1#0
;
;
;
;
;
Gráfica de la tabla 3
T (°C) vs. t (s) B< B; B0
&(4 ! " 0.0=4 / B?.@>
>> ) C ° ( T
>= >< >; >0 A> A=
0
;0
<0
=0
>0
?00
?;0
?<0
?=0
?>0
;00
t (s)
!aóg% 6
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
11% Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introduózcalo en el agua% 1"% &ontinuó e tomando la temperatura cada 10s+ agitando suavemente+ hasta minutos despueós que el cubo de hielo se ha,a undido% note los datos en la abla 34%
TABLA 4 T ($C#
6&.3
6&.1
6%.'
6%.6
6%.3
6%
66.&
65.1
7%6
7%8
7%5
7
7%#
7%5
;
66.5 66 65.& ;
;
65.4
;
;
t (s#
1!
2!
3!
4!
5!
6!
%!
&!
'!
1!!
11!
12!
10
10
150
170
180
1#0
;
;
;
;
;
pro$imadamente al minuto
etermina el ol0men *inal del a"0a % V agua ( final ) > 16" ml ?0 masa tena el a"0a ori"inalmente@ m agua ( original ) > 160%0# g
?0 masa tena el 7ielo ori"inalmente@ ¿ mhielo
( original ) >11%717"g
8pli0e +-mo determin- estas masas: Se obtuvo el primero del volumen .inal , la del hielo haciendo derretir un cubo de hielo parecido al usado , ponieóndolo en la pipeta para ver su volumen con esto hallado se pudo obtener su masa por medio de la densidad%
1% Aaga una graó .ica de versus t%
"3g, 10
La&ora'orio )* +, -alor .&sor&i!o/isipa!o -ovecci
Gráfica de la tabla 4
T (°C) vs. t (s) =B =>
&(4 ! " 0.04 / =>.A?
=A == ) C ° ( T
=@ =< = =; =?
0
;0
<0
=0
>0
?00
?;0
?<0
?=0
?>0
t (s)
Montaje 2: Cone++i-n (A"0a#
1% En el vaso de precipitados echamos alrededor de "00ml de agua% "% !or el borde del vaso de precipitados de/amos caer en el agua algunos cristales de !ermanganato de potasio% % &on la llama ba/a colocamos el mechero deba/o del borde inerior del vaso de precipitados% % *ientras se calentaba+ observamos atentamente el agua coloreada% Subioó a la super.icie del agua en orma de un espiral+ esto es debido a que el !ermanganato de potasio combinado con el agua modela el movimiento del l'óquido que es producido por la transerencia de calor por conveccioó n%
Montaje 3: Cone++i-n (Aire# 1% 2esglose la ho/a con las .iguras de espirales , recorte cuidadosamente%
!aó g% 11
;00
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"% Aaga un nudo en el sedal , paó selo por un ori.icio previamente hecho en el centro del espiral% % Encienda el mechero con una llama ba/a% % &uelgue la espiral entre los 15 , "0 cm por encima del mechero% 5% Bbserve atentamente el enoó meno% note sus impresiones El aire que estaó cerca del uego recibe calor por ello el volumen de esta capa de aire aumenta , por eso su densidad disminuiraó+ haciendo que se desplace hacia arriba por la espiral para que sea reemplazado por aire menos caliente , maó s denso que viene de la regioó n superior+ este proceso continua con una circulacioó n de masas de aire maós caliente hacia arriba , de masas de aire rio hacia aba/o este aire en movimiento moveraó la espiral haciendo que entre en rotacioó n%
,9i la espiral est0iera +one++ionada del otro sentido; el "iro seria el mismo ,
EVALUACI"N 1. 9i en el paso ' en l0"ar de a"0a 0tili=a otro l0ido de maor +alor espe+*i+o; pero de i"0al masa; ,C-mo sera el "ra*i+o tr)+elo des+rbalo.
"3g, 12
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Se observa una relacioó n inversa entre el calor especi.ico de una sustancia con la pendiente de la recta %&omo en nuestro caso la masa se mantiene constante , el calor especi.ico es ma,or + en consecuencia la pendiente de la recta disminu,e su valor %
(4&) vs t (s)
2.
3. etermine el *l0jo +alor*i+o en +ada +aso. >si+amente; ,a 0in se debe di+7o alor &alor considerado como energ'óa+ que .lu,e de una substancia a otra: cuantitativamente+ es la cantidad de calor transerida en la unidad de tiempo%
!aó g% 1
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4. ?ndi0e el tiempo 0e demoro en re+orrer el interalo &!$C &5$C. @eise el +aso re"istrado entre 5!$C 55$C. abla 1 intervalo (#0;#5) 1 minuto 0 segundos abla " intervalo (#0;#5) 0 segundos
5. ?nesti"0e epli0e sobre la +onen+i-n or=ada; de ejemplos de apli+a+i-n La conveccioó n orzada tiene lugar cuando una uerza motriz e$terior mueve un .luido sobre una super.icie que se encuentra a una temperatura ma,or o menor que la del .luido% Desta uerza motriz e$terior puede ser un ventilador+ una bomba+ el viento+ etc% &omo la velocidad del .luido en la conveccioó n orzada es ma,or que en la conveccioó n natural se trans.iere por lo tanto una ma,or cantidad de calor para una determinada temperatura
6. Los motores a0tomotri+es no p0eden reri"erarse por s solos; ,0 sistemas 0san 0e prin+ipio de propa"a+i-n 0san para disipar la ener"a +alor*i+a E$isten dierentes denominaciones que hacen reerencia al sistema principal aunque en realidad en todo motor participan+ en dierente medida+ varios sistemas simultaó neamente% Estos ser'óan los principales !or agua (por termosioó n o por circulacioó n orzada)+ por aire (el de la marcha o orzado con ventilador)+ mi$ta , por aceite%
%. 8n las minas s0bterr)neas se presenta el problema de la +ir+0la+i-n de aire. ?nesti"0e 0e sistemas 0san +on 0 prin+ipio *si+o se desarrollan. =entilacioón de minas La ventilacioón en una mina subterraónea es el proceso mediante el cual se hace circular por el interior de la misma el aire necesario para asegurar una atmoó sera respirable , segura para el desarrollo de los traba/os% La ventilacioó n se realiza estableciendo un circuito para la circulacioó n del aire a traveós de todas
"3g, 14
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las labores% !ara ello es indispensable que lamina tenga dos labores de acceso independientes dos pozos dos socavones un pozo , un socavoó n etc%Dn las labores que soó lo tienen un acceso por e/emplo una galera en avance es necesario ventilar con a,uda de una tuber'óa% La tuber'óa se coloca entre la entrada a la labor , el .inal de la labor% Desta ventilacioón se conoce como secundaria en oposicioó n a la que recorre toda la mina que se conoce como principal%
&. 9e sabe 0e el 9ol est) +onstit0ido por diersos "ases; inesti"0e 0sted +-mo o+0rre el transporte de ener"a a tras de l. El transporte de energ'óa se realiza por conveccioó n+ de modo que el calor se transporta de manera no homogeónea , turbulenta por el propio .luido en la zona conectiva% Los .luidos en esta zona se dilatan al ser calentados , disminu,en su densidad+ por ende+ se orman corrientes ascendentes de material de la zona caliente cercana a la zona de radiacioó n hasta la zona superior , simultaó neamente se producen movimientos descendentes de material desde las zonas e$teriores r'óas%
!aó g% 15
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CONCLUSIONES
La tensioó n super.icial es una propiedad de los l'óquidos por lo cual estos pueden pasar por los ori.icios de un soólido en orma similar a la presioón con la dierencia que la uerza que e/erce hacia adentro , tiende a encoger su super.icie%
Se conclu,e que los .luidos se desplazan de zonas calientes a zonas con menor temperatura+ esto se comproboó observando el desplazamiento del permanganato%
RECOMENDACIONES ener una buena posicioó n para medir la temperatura Su/etar con cuidado los recipientes cuando contengan agua a alta
temperatura
ILIOGRAFÍA
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"3g, 1
