CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓNEXPERIENCIA N° 8

I. OBJETIVO

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.

Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos

II. EQUIPOS / MATERIALES

Calor absorbido - Disipado Convección

1 Mechero bunsen1 Soporte universal1 Clamp1 Termómetro1 Agitador1 Vaso de precipitado graduado de 500 cc. 1 Vaso de precipitado de 200 cc.Papel milimetrado Papel toalla

1 Mechero bunsen1 Soporte Universal1 Clamp1 Termómetro1 Pinza universal1 Vaso de precipitado de 200 cc. 1 Cuchara de mango (espátula) Permanganato de potasio Espiral de papel preparado

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Caso 1: CALOR ABSORBIDO Y DISIPADO

La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura.Esto es:

Q m ( T T 0 )

donde:Q

c: calor específico

mc (T T 0 ) (1)

T0: temperatura inicial de referencia T: temperatura final

El suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo, corresponde a que éste recibe un flujo calorífico H.Si el flujo es constante,

H Dq / dt =

De (1) y (2) se tiene:

dQ mc

dT dt dt

H ,

luego dT

T

H dt

mc

H t H

Integrando e iterando se tiene: dT

dtmc

T t T0

mc(3)

T0 0

La ecuación (3) relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, dondeH representa la pendiente y T0 la temperatura inicial.

mcSi el cuerpo se encuentra en un sistema adiabático, el trabajo de dilatación se realiza a expensas de la energía interna.

Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coincide con el trabajo realizado; la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor, es positiva cuando absorbe calor y negativa cuando disipa calor.

La energía interna del cuerpo aumenta a costa de la cantidad de calor adquirida dq, y disminuye a costa del trabajo realizado por el cuerpo dw (principio de conservación de la energía en los procesos térmicos). Se le conoce como la primera ley de la termodinámica, y se expresa como:

dU dQ PdV

(4)

Caso 2: CONVECCIÓN

La propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en sólidos), convección (en fluidos) y radiación, a través de cualquier medio transparente a ella. Si hay diferencia de temperatura entre dos puntos, el calor siempre se propaga de la zona más caliente a la menos caliente.

CONVECCIÓN: Es la manera más eficiente de propagación del calor, se da en los fluidos. Un fluido cálido, por diferencia de densidades, asciende hacia regiones menos calientes; por compensación un fluido frío desciende a tomar su lugar; si continúa así este movimiento, da lugar a la formación de células convectivas. Ejemplo, cuando el agua hierve se forman burbujas (regiones calientes) que ascienden hacia regiones menos calientes, las células convectivas en la atmósfera que dan lugar a las precipitaciones pluviales.

IV. PROCEDIMIENTO

MONTAJE 1. CALOR ABSORBIDO/DISIPADO

1. Monte el equipo, como muestra el diseño experimental.

2. Coloque 400g agua en el vaso pírex a temperatura del ambiente.

3. Encienda el mechero. Mantenga el flujo de calor constante durante toda la experiencia. La llama no debe ser muy fuerte ni estar muy cerca al vaso.

4. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada 30s hasta llegar al punto de ebullición. Anote los datos en la Tabla N° 1.

Figura 1. Calor Absorbido / Disipado

TABLA 1 (mH2O = 600 g)

Temperatura inicial = 23 °Ct (min) T(oC) t (min) T(oC) t (min) T(oC) t (min) T(oC)

0.5 23 6.5 45 12.5 67 18.5 821.0 24 7.0 47 13.0 68 19.0 831.5 25 7.5 49 13.5 69 19.5 852.0 28 8.0 51 14.0 71 20.0 862.5 30 8.5 53 14.5 72 20.5 863.0 32 9.0 55 15.0 74 21.0 873.5 34 9.5 57 15.5 75 21.5 884.0 36 10.0 59 16.0 76 22.0 894.5 38 10.5 60 16.5 78 22.5 905.0 40 11.0 62 17.0 79 23.0 905.5 42 11.5 63 17.5 80 23.5 916.0 44 12.0 65 18.0 81 24.0 92

5. Repita los pasos (1) al (4) bajo las mismas condiciones anteriores; pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la anterior. Anote los datos en la Tabla 2.

TABLA 02 (mH2O = 300 g)

Temperatura inicial = 23 °Ct (min) T(oC) t (min) T(oC) t (min) T(oC) t (min) T(oC)

0.5 24 3.5 45 6.5 64 9.5 801.0 27 4.0 48 7.0 67 10.0 811.5 31 4.5 51 7.5 70 10.5 832.0 35 5.0 55 8.0 72 11.0 852.5 38 5.5 58 8.5 75 11.5 87

3.0 42 6.0 61 9.0 77 12.0 88

6. Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos anteriores. (Use papel milimetrado)(Pegue aquí)

7. Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 750C.De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa?Determine la cantidad de calor absorbido para cada caso

Y= 0.064 x +20

Para poder identificar cual gráfica pertenece a un liquido de mayor masa

tomamos un valor de tiempo; comparamos los valores de tiempo

correspondientes a cada temperatura, aquél que presente una

temperatura mayor presentará menor 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.

Determinamos la cantidad de calor absorbido para cada

caso:

Q=mce (T f−T 0)

Donde: m: Masa del aguace: Calor específico del agua (1 cal/g °C)T f: Temperatura final del aguaT 0: Temperatura inicial del agua

Para la tabla 1: Q=55.296 kcal

Para la tabla 2:Q=4.968 kcal

8. Vierta esta agua caliente en la probeta graduada hasta 200 ml. Luego viértalo en el vaso de espuma de poliuretano. Coloque un termómetro en el vaso de

espuma y tome la temperatura del agua cada 10 s durante 4 minutos. Anote los datos en la tabla 3.

TABLA 03

t (seg) T(oC) t (seg) T(oC) t (seg) T(oC) t (seg) T(oC)10 67 70 65 130 64 190 6320 67 80 65 140 64 200 6330 66 90 65 150 64 210 62.540 66 100 65 160 63.5 220 62.550 66 110 65 170 63.5 230 6260 65 120 64 180 63.5 240 62

9. Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introdúzcalo en el agua.

10. Continúe tomando la temperatura cada 10s, hasta 4 minutos después que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4.

TABLA 4t (seg) T(oC) t (seg) T(oC) t (seg) T(oC) t (seg) T(oC)

10 57 70 51.5 130 51 190 5120 54 80 51.5 140 51 200 5130 53 90 51 150 51 210 5140 52 100 51 160 51 220 5150 51.5 110 51 170 51 230 5160 51.5 120 51 180 51 240 51

Determine el volumen final del agua.

¿Qué masa tenía el agua originalmente?

¿Qué masa tenía el hielo originalmente? Explique ¿cómo determinó estas masas?

Vagua final magua original mhielo original

200 ml

200 g

9.16 g

Observando la diferencia de volumen inicial y final del agua.

11. Haga una gráfica de T versus t. (Pegue aquí)

Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el hielo se fundía.Q mcT cagua 1,00 cal

gº CQperdida inicial 732.8 cal

MONTAJE 2. CONVECCIÓN (EN AGUA)

1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 400 ml de agua.2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de

Permanganato potásico.

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. Anote sus impresiones.El colorantese calienta y sube a la superficie y el agua colorida de la superficie desciende (diferencia de calor de densidades)

5. En la figura 2, señale el camino recorrido por el agua coloreada. Explique lo que observa mientras se calienta el agua.

Cuando se calienta el agua coloreada del fondo esta sube por disminuir su densidad y el agua de la superficie baja y continúa.

MONTAJE 3. CONVECCIÓN (EN 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 de la espiral. (Figura 3).3. Encienda el mechero con una llama baja.4. Cuelgue la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones.

Las espirales que tienen dirección horaria , cuando se acercan al fuego (Calor) comienzan a moverse en dirección de la espiral

¿Para la espiral confeccionada del otro sentido, el giro sería el mismo? ¿Por qué?

No , pero para la espiral de sentido antihorario , su giro es antihorario cuando se somete a calor

6. Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno.

a. Corrientes Anticiclón y Ciclón del Pacífico

b. Afloramiento

c. Tornados

Nota importante ¡Las espirales de papel

pueden arder!Colóquela al menos 15 cm por encima del mechero

] Mín. 15 cm

V. EVALUACIÓN

1. Si en lugar de agua , se utiliza otro liquído de mayor calor específico , pero de igual masa , ¿ Cómo sería el gráfico ? Trácelo y descríbalo

Se observa una relación inversa entre el calor específico de una sustancia con la pendiente de la recta . Como en nuestro caso la masa se mantiene constante y el calor específico es mayor , en consecuencia la pendiente de la recta disminuye su valor .

2. ¿Por qué en el ajuste de la gráfica no se considera el interval de 75 a 100 grados Celsius ?

Es que ahí se podría decir que comienza a dar un cambio de estado de manera y ya no tiene el mismo comportamiento.

3. Determine el flujo calorífico en cada caso . Físicamente , ¿ a quién se debe dicho valor ?

4. Indique el tiempo que demoró en recorrer el interval 80 y 85 grados Celsius . Revise el caso registrado entre 50 y 55 grados Celsius.

Para la table 1 :Para el interval (80-85) es : 1 minuto 30 segundos aproximadamente

Para la table 2 :Para el interval (50-55) es : 30 segundos aproximadamente

5. ¿Qué relación existe entre las pendientes de las diferentes gráficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos ?

Se trata de trabajar con las mismas condiciones , para notar la diferencia que hay cuando se trabaja con un volume de agua , para luego trabar con la mitad de ese volume.

6. Investigue y explique sobre la convección forzada , de ejemplos de aplicación.

La convección forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie que se encuentra a una temperature mayor a menor que la del fluido . “Esta fuerza motriz exterior puede ser un ventilador , una bomba , el viento , 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 sisteman

usan y qué 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 simultáneamente. Estos serían los principales :Por agua ( por TERMOSIFÓN) o por CIRCULACIÓN FORZADA , por aire ( el de la marcha o forzado con ventilador), mixta y por aceite.

8. En las minas subterráneas se presenta el problema de la circulación de aire . Invetigue que sistemas usan y con qué principio físico se desarrollan.

Ventilación de minas . La ventilación en una mina subterránea es el proceso mediante el cual se hace circular por el interior de la misma el aire necesario para asegurar una ATMÓSFERA respirable y segura para el desarrollo de los trabajos . La ventilación se realiza estableciendo un circuito para la circulacíon del aire a través de todas las labors . Para ello es indispensable que la mina tenga dos labores. Para ello es indispensable que 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 : Galera en avance es necesario ventilar con ayuda de una tubería . La tubería se coloca entre la entrada a la labor y el final de la labor. “ Esta ventilación se conoce como secundaria en oposición a la que recorre toda la mina que se conoce como principal.

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 energia se realiza por conveccíon, de modo que el calor se transporta de manera no homogénea y turbulenta por el propio fluido en la zona conectiva. 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 exterior frías.

VI. CONCLUSIONES

- De esta experiencia concluimos que los fluidos se desplazan de zonas calientes a zonas calientes a zonas con menor temperatura , esto se comprobó observando el desplazamiento del permanganato.

- En general a mayor masa , mayor es el tiempo en calendar el agua.

- El calor absorbido por un cuerpo depende de la masa del cuerpo y el tiempo que se le suministra un flujo calórico . Para un cuerpo de mayor masa demora más en cambiar su temperature que para uno de menor masa.

VII. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

- Tener cuidado al realizer el laboratorio para prevenir lesions o dañar alguno de los instrumentos empleados.

- Tener una buena posicion para medir temperature- Tener cuidado al momento de sacar el agua hervida.