Introducción y objetivos ¿Por qué al dejar un vaso con agua caliente en cierto recipiente, al pasar las horas el líquido se enfriará, y por el contrario, si dejamos el mismo vaso con agua fría, ésta se calentará? ¿Cómo denominamos al proceso por el cual ocurre esto? ¿De qué depende la velocidad a la que se enfriará o calentará? Éstas y otras interrogantes son preguntas las cuáles las personas generalmente generalmente no se detienen a preguntarse, debido a ser consideradas muy "lógicas" o de una situación muy cotidiana en el diario vivir, sin embargo, como nos daremos cuenta, analizarlas nos llevará a respuestas muy interesantes. La transferencia de calor es el intercambio de energía térmica desde un cuerpo con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura, o entre partes de un mismo cuerpo a distinta temperatura. temperatura. Existen tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de calor por contacto entre dos sólidos (o dentro de un mismo sólido a distinta temperatura). temperatura). Se dá por las fuerzas mecánicas entre partículas que no se desplazan (sólidos). Con convección nos referimos a la transferencia de calor que se da tanto por conducción como por translación, translación, ya sea natural (cambio de densidades por cambios de temperatura) temperatura) o forzada. Generalmente, se produce convección al estar en contacto un sólido con algún tipo de fluido. Por último, la radiación es la transferencia de calor debido a ondas electromagnéticas. electromagnéticas. A diferencia de los dos casos anteriores, para que ocurra radiación las sustancias que intercambian intercambian calor no deben estar necesariamente necesariamente en contacto; se puede efectuar en el vacío. En esta experiencia, explicaremos el fenómeno de la convección, a través de un experimento muy sencillo y cotidiano: dejar agua en un frasco y ver qué sucede con su temperatura. De esta forma, intentaremos estudiar y ver la dependencia de este fenómeno a distintas variables, como lo son la forma del frasco, del material del cual está hecho y, así, poder obtener el valor de la constante de convección para el caso analizado.
Teoría y procedimiento experimental Para esta experencia, estudiaremos el caso de convección natural, es decir, la convección debida a los cambios de densidad producidos por la variación de la temperatura. De la primera ley de la termodinámica, y utilizando la ley de Fourier, obtenemos que, para cualquier sólido que se deja enfriar la temperatura en cualquier instante será:
− t
T (t )
=
T ∞
+
(T 0
− T ∞
)⋅e
τ
m cv ⋅
τ
=
h A ⋅
(tiempo característico)
T ∞ = Temperatura ambiente, T 0 = temperatura inicial, m =masa sólido, c v
=capacidad calorífica a volumen constante, =área de contacto con el fluido.
h =coeficiente
de convección, A
A continuación, veremos cómo fue desarrollada esta experiencia. Etapa 1
Con el fin de saber el calor que se le es entregado al agua, debemos calcular la potencia del calentador. Para esto, utilizaremos un frasco, 1kg de agua y una resistencia, para luego seguir los siguientes pasos: Primero medimos la temperatura inicial del agua y del ambiente, para obtener una diferencia dada por: ∆T = T a − T i
T a
= temperatura ambiente, T i = temperatura inicial del agua.
Luego, sumergimos la resistencia dentro del frasco con agua y la conectamos a la corriente, midiendo oportunamente tanto la intensidad de corriente como el voltaje. Esperamos que se caliente el agua hasta una T
= T + ∆T
a temperatura f , agitando el agua de vez en cuando para asegurar que la temperatura sea uniforme en todo el kilogramo de agua.
Finalmente, podremos obtener la potencia del calentador utilizando la siguiente fórmula: Potencia =
(T f − T i ) ⋅ m ⋅ cv t
Etapa 2
Para esta etapa, repetimos el procedimiento anterior, utilizando el frasco del cual deseamos obtener el coeficiente de convección, y 1200 gramos de agua. Calentamos el agua hasta aproximadamente unos 80ºC, momento en el cual desconectamos nuestra resistencia, dejando que el frasco pierda calor por convección hacia el ambiente. Nuevamente debemos agitar para asegurar que la temperatura sea uniforme en el agua dentro del frasco. Para esta experiencia, el frasco utilizado fue el siguiente:
Durante la experiencia, medimos cada 10 segundos tanto la temperatura del agua como del ambiente (aire que rodea al frasco) utilizando distintos termómetros (uno dentro del frasco y otro por afuera.
Etapa 3
En esta etapa, repetimos los pasos anteriores pero utilizando una resistencia distinta.
