OBJETIVOS Investigar
el
comportamiento
de
la
energía
térmica
absorbida/disipada por una sustancia líquida. Hacer
un
estudio
comparativo
de
la
cantidad
absorbida/disipada para diferentes proporciones del líquido. Investigar cómo se transporta el calor en los uidos.
MATERIALES / EQUIPOS CALOR ABSORVIDO/DISIP ABSORVID O/DISIPADO ADO 1 Mechero bunsen 1 oporte !niversal 1 "lamp 1 #ermómetro 1 $gitador
%aso de precipitado de &'' ml 1 %aso 1 vaso de precipitado de ('' ml )apel milimetrado )apel #oalla
CONVECCIÓN
de
calor
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, $2,-2I3, / 3II) 3II)$3, $3, 4 ",*%""I5*
1 Mechero bunsen 1 oporte !niversal 1 )in6a universal
%aso de precipitado de ('' ml 1 %aso 1 "uchara de mango )ermanganato de potasio spiral de papel preparado
FUNDAMENTO TEÓRICO CALOR l calor se de7ne como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes 6onas de un mismo cuerpo que se encuentran a dis isttintas temper era aturas8 sin embargo en termodin9mi termo din9mica ca genera generalmente lmente el térm término ino calor signi signi7ca 7ca trans transferen ferencia cia de energía. ste u:o de energía siempre ocurre desde el cuerpo de ma;o ma ;orr te temp mper erat atur ura a ha haci cia a el cue uerp rpo o de me meno norr te temp mper erat atur ura8 a8 ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en eq equi uili libr brio io té térm rmic ico o
. CALOR ABSORBIDO Y CALOR DISIPADO DISIPADO a energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura= Q α m ( T −T o)
Q=C e m ( T −T o )
<1>
3onde=
!++I
"e
=
"alor especí7co
#'
=
#emper emperatura atura Inicial de referenci referencia a
1
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
#
=
#emperatura +inal
l suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo8 corresponde a que éste recibe un u:o calorí7co H. i el u:o es constante8
H =
dQ =cte dt
<(>
3e 1 ; ( se tiene= H =
dQ dT =mc dt dt
uego dT =
H dt mc
Integrando e iterando se tiene T
t
T o
0
H H d t → T= t + T ( 3 ) ∫ dT =∫ mc mc 0
a ecuación ? obtenida relaciona la temperatura con el tiempo. s una función lineal8 donde H/mc representa la pendiente ; #' la temperatura inicial. i el cuerpo se encuentra en su sistema adiab9tico8 el traba:o de dilatación se reali6a a e@pensas de la energía interna. o
o
!++I
in embargo8 la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coincide con el traba:o reali6adoA la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor8 es positiva cuando absorbe calor ; negativa cuando disipa calor a energía interna del cuerpo aumenta a costa de la cantidad de calor adquirida dq8 ; disminu;e a costa del traba:o reali6ado por el cuerpo dB . e le conoce como la primera le; de la termodin9mica8 ; se e@presa como=
(
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
dU =dQ − PdV
FORMAS DE PROPAGACIÓN DE CALOR a propagación del calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos8 o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que tienen diferente temperatura. @isten tres formas de propagación del calor que son por= conducción8 convección ; radiación ; que a veces puede producirse en forma combinada. - Conducción sta forma de propagación se da en los sólidos8 cuando se aplica calor a un ob:eto sólido8 la 6ona donde absorbe calor se calienta ; sus partículas adquieren ma;or movilidad que el resto del cuerpo ; cada partícula transmite el calor a las partículas vecinas8 con el cual el calor acaba por propagarse por todo el ob:eto.
:emplos= !tensilios met9licos para o cocinar8 como por e:emplo una olla de acero. sta recibe el calor en la base ; luego se propaga por toda la olla. s por ello que las asas tienen que ser de un material aislante como madera o pl9stico8 para no sufrir quemaduras. o #enemos un vaso de leche que est9 mu; caliente. n su interior se introduce una cuchara. $l pasar un rato8 si se toca la cuchara que se encuentra en su interior8 se nota que se va calentando cada ve6 m9s. sta transferencia de calor se ha producido desde una sustancia8 que es la leche8 hasta un cuerpo8 que es la cuchara. •
-
!++I
Convección
a propagación del calor por convección se da en los líquidos ; en los gases. s decir cuando calentamos un líquido o un gas en un recipiente8 las primeras partículas en calentarse son las del fondo8 por la que parte del líquido o del gas del fondo se dilata ; disminu;e su densidad ; al ocurrir esto esta parte del líquido o gas asciende por el recipiente ; la parte del líquido o gas que estaba encima ba:a para ocupar el espacio de:ado8 origin9ndose las
?
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
llamadas corrientes de convección que van calentando todas las sustancias del recipiente. :emplos= l aire por convección origina los o vientos. o i se coloca una espiral de cartulina8 en un soporte universal ; se sopla desde aba:o hacia arriba se puede apreciar cómo esta comien6a a girar alrededor del punto donde se apo;a. #ambién si se coloca una vela encendida o cualquier otra fuente de calor deba:o del espiral8 esta gira porque el aire que se calienta8 asciende ; esto se demuestra porque se pone en movimiento la espiral8 igual que cuando se soplaba desde aba:o hacia arriba. )or tanto8 se producen corrientes de aire caliente que suben ; de aire frío que ba:a. •
-
Radiación
a radiación es la propagación del calor que tiene lugar sin el apo;o del ningCn medio material. :emplos= os radiadores o as aguas del mar reciben la radiación o del sol por eso logran evaporarse. o os panaderos8 cuando van a sacar el pan del horno8 est9n recibiendo el calor procedente de este8 por radiación.
PARTE EXPERIMENTAL MONTAJE 1 – CALOR ABSORVIDO / DISIPADO PASO 1:
D
!++I
Montamos el siguiente equipo para reali6ar el e@perimento.
E
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
PASO 2:
D
"olocamos E''g de
agua en el vaso
píre@ a temperatura del ambiente. PASO 3:
D
ncienda el mechero.
D
Mantener la llama constate durante toda la e@periencia.
PASO 4:
D
$gitar el agua previamente ; leer la temperatura cada ?'
D
segundos hasta llegar al punto de ebullición e anotaron los datos en la #abla '1 TABLA 01 (mH2O = 400!
#emperatura Inicial F (E" "(min
!++I
T(#C!
"(min
T(#C!
"(min
T(#C!
"(min
T(#C!
&
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
!
'.& 1.' 1.& (.' (.& ?.' ?.& E.' E.& &.' &.&
!
(&.& (0 ?' ?( ?& ?0 E'.& EE EG.& E &1.&
G.' G.& .' .& 0.' 0.& .' .& 1'.' 1'.& 11.'
!
&E &G.& &0.& G1 G? G&.& G.& G.& 1 ? &
11.& 1(.' 1(.& 1?.' 1?.& 1E.' 1E.& 1&.' 1&.& 1G.' 1G.&
!
G.& 0 0' 01.& 0(.& 0?.& 0& 0G 0 00 0
1.' 1.& 10.' 10.& 1.' 1.& ('.' ('.& (1.' (1.&
0.& ' '.& 1 1.& ( ? E E.& &
PASO $:
D
-epetimos los pasos del 1 al E ba:o las mismas condiciones anterioresA pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la anterior
D
os datos se anotaron en la tabla '(.
TABLA 02 (mH2O = 400!
#emperatura Inicial F (E" "(min
T(#C!
!
'.& 1.' 1.& (.'
"(min
T(#C!
!
(& ?' ?E.& E'
(.& ?.' ?.& E.'
"(min !
E& &1 & G?
E.& &.' &.& G.'
T(#C!
G0 E 0E
"(min !
G.& .' .& 0.'
T(#C!
( G 0 0.&
PASO %:
D
!++I
-eali6amos la gr97ca #emperatura vs tiempo8 para los dos casos anteriores usando papel milimetrado.
G
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
PASO &:
D
3eterminamos la ecuación de la gr97ca mediante el método de mínimos cuadrados. 3e la tabla '1 se obtuvo la ecuación # F t J ?(.1G 3e la tabla '( se obtuvo la ecuación # F <1'.&00>t J 1.G00
'e o) *+,co) Cómo iden"i,ca*.a e ./uido /ue "iene mao* ma)a
abemos segCn la ecuación ?=
!++I
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
T =
H t + T 0 mc
3e donde se sabe que H/mc es la pendiente de la gr97ca8 si la masa es ma;or entonces la pendiente de la gr97ca disminu;e. n concu)ión a *+,ca /ue "iene mao* e) a /ue "iene meno* endien"e (e)"+ meno) incinada! a cua co**e)onde a a *+,ca de a Taa 015
'e"e*mina* a can"idad de cao* a)o*ido a*a cada ca)o:
Pa*a a "aa 01
#emperatura Inicial
#' F (E"
#emperatura +inal
#F &"
Masa de agua "alor especi7co del agua
mFE''g "eF1 cal/g"
3e la ecuación 1
Q=C e m ( T −T o )=1 x 400 x ( 95− 24 )=28.400 Kcal
Pa*a a "aa 02
#emperatura Inicial
#' F (E"
#emperatura +inal
#F 0.&"
Masa de agua "alor especi7co del agua
mF(''g "eF1 cal/g"
3e la ecuación 1
Q=C e m ( T −T o )=1 x 200 x ( 98.5 −24 )=14.900 Kcal
PASO 6:
!++I
0
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
-
"olocamos el agua anterior ;a caliente en un vaso de espuma de poliuretano.
-
"olocamos el termómetro en el vaso
-
$notamos la temperatura cada 1' segundos durante E minutos.
-
e anotaron los datos en la tabla '?
TABLA 03
"()e
T(#C!
!
1' (' ?' E' &' G'
"(min
T(#C!
"(min
!
( ' 0 00.& 00 0.&
' 0' ' 1'' 11' 1('
!
0 0G.& 0& 0E 0(.& 01.&
1?' 1E' 1&' 1G' 1' 10'
T(#C!
01 0'.& 0' .& 0.&
"(min !
1' ('' (1' ((' (?' (E'
T(#C!
0 .& G.& G &
PASO 7: -
ecamos un cubo de hielo con papel toalla
-
o introducimos r9pidamente en el agua
PASO 10:
!++I
-
"ontinuamos tomando la temperatura cada 1' segundos hasta E minutos hielo que el cubo de hielo se ha;a fundido.
-
os datos se anotaron en la tabla 'E
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
TABLA 04 "()e
T(#C!
!
1' (' ?' E' &' G' o
"(min
T(#C!
!
G& GE.& GE GE G?.0 G?.0
' 0' ' 1'' 11' 1('
"(min !
G?.& G? G(.0 G(.0 G(.& G(.?
T(#C!
1?' 1E' 1&' 1G' 1' 10'
G( G1.0 G1.0 G1.& G1 G'.0
"(min !
T(#C!
1' ('' (1' ((' (?' (E'
'e"e*mine e voumen ,na de aua
G'.& G'.? G' &.0 &.& &.?
%7nal F (1'.&
ml ste volumen se obtuvo colocando el líquido 7nal en una probeta graduada ; viendo el volumen que indica. o
8u9 ma)a de aua "enia o*iinamen"e
magua inicial F
(''g s la masa que se usó inicialmente
o
8u9 ma)a "en.a de ieo o*iinamen"e
mhielo original F
(''g abemos que al 7nal se tienen (1'.& ml de agua8 es decir (1'.& g de agua8 por lo tanto signi7ca que 1'.& g de agua es igual a la masa de hielo que se fundió. PASO 11:
- Hacer una gr97ca # versus t
!++I
1'
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
a gr97ca en papel milimetrado se ad:unta en los ane@os. -
"alcular la cantidad de calor total pérdida por el agua mientras el hielo se fundía #emperatura Inicial
#' F G&"
#emperatura +inal
#F &.?"
Masa de agua "alor especi7co del agua
mF(''g "eF1 cal/g"
3e la ecuación 1
Q perdido=C e m ( T −T o ) =1 x 200 x ( 65−59.3 )=1.14 Kcal
MONTAJE 2 – CONVECCIÓN (EN AGUA) PASO 1:
D
!++I
n el vaso de precipitado vierta alrededor de E'' ml de agua.
11
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
PASO 2:
D
)or el borde del vaso de precipitado de:e caer en el agua algunos cristales de permanganato de potasio . <*, $LI#$->.
PASO 3:
D
"on la llama ba:a coloque el mechero deba:o del borde inferior del vaso de precipitados.
PASO 4:
D
Mientras se caliente el agua observamos el movimiento ; anotamos las siguientes impresiones e@plicando lo que pasa=
o
o
o
o
!++I
$l observar cuidadosamente el calentamiento del agua observamos que el agua caliente en la parte inferior subía hacia la super7cie 8 despla6ando el agua fría que se encontraba allí ; ésta a su ve68 descendía ocupando el lugar de:ado por el agua caliente. sto se pudo apreciar gracias al permanganato de potasio que nos facilitó la observación del u:o de agua. l )ermanganato de potasio combinado con el agua modela el movimiento del líquido que es producido por la transferencia de calor por convección. l agua caliente sube hacia la super7cie porque al absorber el calor de la llama se vuelve menos densa que el agua fría8 es decir8 el u:o de agua fría ; caliente se debe a la diferencia de densidades producidas por el calentamiento inicial de la porción de agua de la parte inferior del vaso.
1(
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
MONTAJE – CONVECCIÓN (EN AIRE) PASO 1:
D
3esglosamos una cuidadosamente.
espiral8
recort9ndolo
PASO 2:
D
Hacemos un nudo en el sedal ; lo pasamos por un ori7cio previamente hecho en el centro del espiral
PASO 3:
D
ncendemos el mechero con una llama ba:a
PASO 4:
D
"olocar la espiral entre 1& ; (' cm por encima del mechero.
PASO $:
D
,bservamos ; anotamos nuestras observaciones del fenómeno o
o
-
"uando la espiral es colocada sobre el mechero8 el aire que est9 cerca del fuego recibe calor8 por consiguiente8 el volumen de esta capa de aire aumenta ; por eso su densidad disminuir98 haciendo que se desplace hacia arriba por la espiral para que sea reempla6ado por aire menos caliente ; m9s denso que viene de la región superior8 ste proceso continua con una circulación de masas de aire m9s caliente hacia arriba ; de masas de aire frio hacia aba:o este aire en movimiento mover9 la espiral haciendo que entre en rotación.
Pa*a a e)i*a con;eccionada de o"*o )en"ido< e i*o )e*.a e mi)mo
o
o
*o8 segCn lo visto ; por su forma la geometría determina el movimiento del espiral. l sentido orientaría el movimiento del espiral8 así que si el sentido cambia puesto que el u:o de aire asciende por un lado ; por el otro desciende.
PASO %:
!++I
1?
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
D
Seae "*e) e>emo) en o) /ue o)e*ve e)"e ;enómeno
"uando una sustancia es for6ada a moverse por un ventilador o una bomba8 como en algunos sistemas de calefacción de aire. "irculación de aire en una pla;a es un modo de convección natural. a me6cla que se presenta cuando el agua de la super7cie de un lago se enfría ; se hunde.
EVALUACIÓN 15 Si en ua* de aua< )e u"ii?a o"*o ./uido de mao* cao* e)ec.,co< e*o de iua ma)a Cómo )e*.a e *a,co T*+ceo de)c*.ao5
l gr97co seguiría siendo una recta8 sin embargo8 la pendiente variar9. -ecordemos la ecuación que relaciona la temperatura con el tiempo=
T =
H t + T 0 mc
3onde c es el calor especi7co. $hora bien8 el coe7ciente de t vendría a ser la pendiente de dicha recta. s decir=
pendiente=
H mc
%emos que esta pendiente tiene en su e@presión al calor especí7co c ; se relaciona inversamente proporcional a ella. s decir8 a un ma;or c la pendiente de la recta ser9 menor8 en cambio8 a un menor c la pendiente ser9 m9s pronunciada. ntonces vemos que si traba:amos ba:o las mismas condiciones8 cambiando solo el agua por otro líquido de ma;or calor especi7co8 la
!++I
1E
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
recta tendr9 una menor pendiente con respecto a la inicial por lo mencionado líneas arriba.
25 Po* /u9 en e a>u)"e de a *+,ca no )e con)ide*a e in"e*vao de &$#C a 100#C
*o se considera debido a que en ese intervalo para los tiempos que pasan la temperatura varia mu; poco8 ; como el termómetro indica las temperaturas para cada '.&"8 entonces se cometería errores en la toma de temperaturas ;a que se obtendrían con imprecisión alterando los resultados al reali6ar el a:uste de rectas. 35 'e"e*mine e @u>o cao*.,co en cada ca)o5 .)icamen"e< A /ui9n )e dee dico vao* Pa*a a "aa 01
uego de aplicar regresión lineal= )or comparación=
!++I
T =3,290 t + 32,69
3,290 =
H → mc ( 3290 ) = H mc
1&
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
-eempla6ando masa ( m= 400 g ) ; calor especi7co del agua
(c =1,00
cal ) g℃
3,290 ( 400 ) ( 1,00 ) = H
H =1316
cal m
Pa*a a "aa 02
uego de aplicar regresión lineal= )or comparación=
T =9,897 t + 21,52 3,290 =
H → mc ( 9,897 )= H mc
-eempla6ando masa ( m=200 g ) ; calor especi7co del agua
( c =1,00
cal ) g℃
9,897 ( 200 ) ( 1,00 )= H
H =1979,4
cal m
Pa*a a "aa 03
uego de aplicar regresión lineal= )or comparación=
T =−0,068 t + 91,05 3,290 =
H → mc ( 3290 ) = H mc
-eempla6ando masa ( m=200 g ) ; calor especi7co del agua
(c =1,00
cal ) g℃
−0,068 ( 200 ) ( 1,00 )= H H =−13,6
!++I
cal s
1G
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
Pa*a a "aa 04 T =−0,023 t + 65,05
uego de aplicar regresión lineal= )or comparación=
3,290 =
H → mc ( 3290 ) = H mc
-eempla6ando masa ( m=200 g ) ; calor especi7co del agua
(c =1,00
cal ) g℃
3,290 ( 400 ) ( 1,00 ) = H
H =−4,6
cal s
45 ndi/ue e "iemo /ue demo*ó en *eco**e* e in"e*vao 60#C 6$#C5 Revi)e e ca)o *ei)"*ado en"*e $0#C $$#C )ando a ecuación de a "aa 01 T =3,290 t + 32,69
#omando # F 0' ; #F0& se tiene T =80= 3,290 t + 32,69 →t 1=14.38 m T =85= 3,290 t + 32,69 →t 1=15.90 m
l tiempo que demoro en recorrer fue= t =t 2−t 1 = 1.52 minuto s
)ando a ecuación de a "aa 01 T =3,290 t + 32,69
#omando # F &' ; #F&& se tiene T =50=3,290 t + 32,69 → t 1=5.26 m T =55=3,290 t + 32,69 → t 1=6.78 m
l tiempo que demoro en recorrer fue=
!++I
1
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
t =t 2−t 1 = 1.52 minutos
e observa que para iguales cambios de temperatura es igual el intervalo de tiempo. $5 8u9 *eación eDi)"e en"*e a) endien"e) de a) di;e*en"e) *+,ca) a can"idad de cao* a)o*ida a*a o) di;e*en"e) ca)o)
3e todos los casos se tienen las siguientes relaciones= as pendientes de las gr97cas son H/mc donde se observa una o relación inversa entre la pendiente ; el calor especí7co del material ; también con la masa. o abemos que un cuerpo con ma;or calor especí7co signi7ca que necesita absorber una ma;or cantidad de calor para aumentar su temperatura. abemos que un cuerpo con ma;or masa8 tiende a absorber o m9s calor que un cuerpo con menor masa. 3e todo lo anterior se tiene que una gr97ca con ma;or pendiente indica un menor calor especí7co ; a menor calor especi7co que el calor absorbido por el cuerpo es menor. Di)"e *eación inve*)a en"*e a endien"e e cao* a)o*ido5
%5 nve)"ia* eDica* )o*e a convección ;o*?ada< de e>emo) de aicación
a convección for6ada es el movimiento del uido generado por fuer6as impulsoras e@ternas. ste tipo de convección for6ada tiene como mecanismo la transferencia de calor entre una super7cie ; un uido con movimiento que u;e alrededor de la misma8 el cual es for6ado a circular a través de esta por algCn equipo donde se hace variar la presión del uido de traba:o :emplos de aplicación= D D
!++I
$plicación de gradientes de presión con una bomba os ventiladores
10
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
&5 Lo) mo"o*e) au"omo"*ice) no ueden *e;*ie*a*)e o* ). )oo)5 8u9 )i)"ema) u)an /ue *inciio de *oaación u)an a*a di)ia* a ene*.a cao*.,ca Si)"ema) de *e;*ie*ación
os sistemas actualmente empleados para la refrigeración de los motores8 tanto de gasolina como 3iesel8 son los siguientes= •
-efrigeración por aire
•
-efrigeración por agua o mi@tos
Re;*ie*ación o* ai*e
ste sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmósfera a través del aire que lo rodea. )ara me:orar la conductibilidad térmica o la manera en que el motor transmite el calor a la atmósfera8 estos motores se fabrican de aleación ligera ; disponen sobre la carcasa e@terior de unas aletas que permiten aumentar la super7cie radiante de calor. a longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura alcan6ada en las diferentes 6onas del cilindro8 siendo8 por tanto8 de ma;or longitud las que est9n mas pró@imas a la c9mara de combustión.
COECLSOES Investigar
el
comportamiento
de
la
energía térmica absorbida/disipada por una sustancia líquida.
!++I
1
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
Hacer un estudio comparativo de la
cantidad de calor absorbida/disipada para diferentes proporciones del líquido. Investigar cómo se transporta el calor en
los uidos.
RCOFE'ACOES )rimera recomendación es utili6ar mas de un cubo de hielo para que se
!++I
('
I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*
pueda veri7car el cambio de temperatura. e puede observar un cambio cuando se calientan los espirales si los coloca al ras del fuego. $gitar el agua en cada momento para tener valores m9s e@actos de temperatura.
!++I
(1
