TÍTULO: ANÁLISIS DEL CALOR ABSORBIDO Y DISIPADO EN LÍQUIDOS

RESUMEN:

De la experiencia realizada se demostró algo muy importante la dependencia lineal de la

temperatura respecto al tiempo: T= HmC

t+T 0 , de donde HmC

representa la pendiente y T 0 la

temperatura inicial.Además se demostró que cuando menor es la masa del líquido mayor es el flujo calorífico, de aquí además disminuye la cantidad de calor.Luego de haber realizado la experiencia en la parte en la que se dejó enfriar el agua cuando se añadió el hielo, se incrementó la rapidez de enfriamiento del agua, debido a que el hielo absorbe el calor liberado por el agua caliente cumpliéndose así el balance de energía.

INTRODUCCIÓN:

En el presente informe se dará a conocer el estudio del calor absorbido por un líquido, su dependencia con respecto al tiempo, y además la comparación de la cantidad de calor absorbido para diferentes porciones de masa de un líquido.

Se debe definir la energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura.

Esto es: Q=mC (T−T 0) … (1)

C : calor específicoT 0: temperatura inicial dereferencia

T : temperatura final

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

H=dQdT

=cte … (2)

De (1) y (2) se tiene: dQdT

=m dTdt

=H , luego dT= HmC

dt

Se integra y se obtiene:

∫T 0

T

dT= HmC

∫0

t

dt

T= HmC

t+T 0 … (3)

Es una función lineal, donde HmC

representa la pendiente y T 0 la temperatura inicial.

MÉTODO EXPERIMENTAL:

Para esta experiencia es necesario contar con los siguientes equipos y materiales: un mechero de Bunsen (usado para calentar el agua hasta ebullición), un soporte universal y un clamp (para sostener el termómetro), un termómetro (para medir la temperatura del agua cada cierto intervalo de tiempo), un vaso de precipitado (que contendrá el agua la cual se calentará hasta que hierva), un vaso de espuma de poliuretano (donde el hielo se derretirá en el agua caliente).

El procedimiento de la experiencia consta de 2 partes:

Primera Parte:

Se coloca un cierto volumen de agua en un vaso pirex a temperatura ambiente. Se anota el volumen inicial y la temperatura inicial.

V 0=600ml

T 0=21 °C

Fig.1

Se enciende el mechero y se calienta el agua, y se toma cada 30s la temperatura hasta ebullición. Se colocan los datos en la Tabla 1.

Se repite este procedimiento con la mitad del volumen de agua, y se colocan los datos en la Tabla 2.

V 0=300ml

T 0=21 °C

Se realiza la gráfica para cada volumen de agua, se nota la diferencia entre sus pendientes.

Segunda Parte:

El agua caliente de 300ml, se toma 200ml y se vierte en un vaso de espuma poliuretano. Se coloca un termómetro y se toma la temperatura cada 10s durante 3 minutos. Estos datos se colocan en la Tabla 3.

Se seca un cubo de hielo y se introduce en el agua anterior y se sigue tomando la temperatura hasta que el cubo se funda, estos datos se colocan en la Tabla 4.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

En este punto del informe se mostrarán los datos de temperatura tomados en el procedimiento experimental.

TABLA 1 (m=600 g)

T (° C ) 21 21.5 22 25 28 30 33 36 39

t ( s ) 0 30 60 90 120 150 180 210 240

T (° C ) 41 44 48 52 54 56 58 60 62

t ( s ) 270 300 330 360 390 420 450 480 510

T (° C ) 64 66 68 70 72 74 76 78 80

t ( s ) 540 570 600 630 660 690 720 750 780

T (° C ) 82 84 86 88 90 92 94 95 96

t ( s ) 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050

TABLA 2 (m=300 g)

T (° C ) 20 23 28 33 39 45 50 54 59

t ( s ) 0 30 60 90 120 150 180 210 240

T (° C ) 64 69 73 77 81 84 86 91 92

t ( s ) 270 300 330 360 390 420 450 480 510

T (° C ) 93 94 95

t ( s ) 540 570 600

Se grafica la variación de la temperatura T versus el tiempo t para cada tabla de datos.

Para m=600 g

Gráfica T vs t:

Para m=300 g

Gráfica T vs t:

T (t )=0.0751 t+21.288

T (t )=0.1342 t+24.013

0 200 400 600 800 1000 12000

20

40

60

80

100

120

TLinear (T)

tiempo (t)

Tem

pera

tura

(T)

Se nota a partir de las dos gráficas lineales que la primera gráfica tiene una menor pendiente y la segunda una mayor pendiente.

Se usa la ecuación (3) para hallar el flujo calorífico para cada masa de agua empleada:

Para m=600 g:

HmC

=0.0751

De donde: H=0.0751×600×1=45.06cal / s

Para m=300 g:

HmC

=0.1342

De donde: H=0.1342×300×1=40.26cal /s

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.

TABLA 3

T (° C ) 93 91 89 88 87 86.5 86 85.5 85

t ( s ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80

T (° C ) 84.5 84 83.5 83 82.5 82 81.5 81 80.5 80

t ( s ) 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

0 100 200 300 400 500 600 7000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TLinear (T)Linear (T)

tiempo (t)

Tem

pera

tura

(T)

TABLA 4

T (° C ) 76 72 68 64 60 56 52 49 46

t ( s ) 190 200 210 220 230 240 250 260 270

T (° C ) 42 39 37 36 35.5 35 34.5 34 33.5

t ( s ) 280 290 300 310 320 330 340 350 360

Se grafica Temperatura vs tiempo:

Se observa que al momento de introducir el hielo al agua caliente aumenta la rapidez de enfriamiento del agua, debido a que el hielo absorbe el calor liberado por el agua caliente.

CONCLUSIONES:

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T

tiempo (t)

Tem

pera

tura

(T)

Curva De Enfriamiento del agua

Se introduce el Hielo

De la experiencia realizada se concluye que cuando mayor es la masa se necesitará más calor para lograr que el agua llegue a su temperatura de ebullición.

Además se demostró que la temperatura de ebullición en la experiencia es T=95 ° C aproximadamente debido a que está influido por la presión de la atmósfera.

Se concluye también que al momento de añadir hielo al agua caliente ésta se enfría rápidamente ya que el hielo gana el calor liberado por el agua caliente cumpliéndose el balance de energía.

Q ganado(hielo )=Qliberado(agua)

También se concluye que la temperatura tiene una dependencia lineal con respecto al tiempo.

RECOMENDACIONES:

- Se recomienda al momento de realizar el calentamiento para las dos distintas masas de agua, tratar de conseguir un flujo constante de la llama, ya que esto podría afectar las condiciones de experimentación.

- Además se recomienda trasladar rápidamente el agua del vaso de precipitado al vaso de espuma de poliuretano, para evitar perder el control del tiempo a medida que disminuye la temperatura.

- También se recomienda agitar cuando el hielo se encuentra fundiéndose en el agua caliente del vaso de espuma de poliuretano.

REFERENCIAS:

[1] Leyva Naveros, Humberto “Física” Tomo II. Ed. Moshera 2001

[2] Rojas Saldaña, Ausberto “Física” Tomo II. Ed. San Marcos 2002

[3] Koshkin N.I., Shirkévicj M.G. Manual de Física Elemental. Editorial Mir 1975

APÉNDICES:Aquí se mostrarán la regresión lineal por mínimos cuadrados para las gráficas.

Para la gráfica Tvs t (masa =600g)

Se trabajará con solo 11 datos ya que la gráfica tendrá la misma tendencia:

x i y i x i y i x i2

0 20 0 030 23 690 90060 28 1680 360090 33 2970 8100

120 39 4680 14400150 45 6750 22500180 50 9000 32400210 54 11340 44100240 59 14160 57600270 64 17280 72900300 69 20700 90000

∑ x i=1650 ∑ yi=484 ∑ x i y i=89250 ∑ x i2=346500

Se halla la pendiente y el intercepto:

m=11∑ x i y i−∑ xi∑ y i

11∑ x i2−(∑ x i )

2 =0.0751

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i∑ xi y i

11∑ xi2−(∑ x i )

2 =21.288

Para la gráfica Tvs t (masa =300g)

Se trabajará con solo 11 datos ya que la gráfica tendrá la misma tendencia:

x i y i x i y i x i2

0 21 0 030 21.5 645 90060 22 1320 360090 25 2250 8100

120 28 3360 14400150 30 4500 22500180 33 5940 32400210 36 7560 44100240 39 9360 57600270 41 11070 72900300 44 13200 90000

∑ x i=1650 ∑ yi=340.5 ∑ x i y i=59205 ∑ x i2=346500

Se halla la pendiente y el intercepto:

m=11∑ x i y i−∑ xi∑ y i

11∑ x i2−(∑ x i )

2 =0.1342

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i∑ xi y i

11∑ xi2−(∑ x i )

2 =24.013

TAREA:

1. ¿Cuál es la razón de que en esta experiencia la temperatura no llegue a 100°C?

La razón es que en el lugar donde se realizó esta experiencia la presión atmosférica no es 1atm por lo tanto el agua hierve a menos de 100°C.

2. Para el caso del agua, aproximadamente a partir de 75°C la gráfica de temperatura vs tiempo deja de tener una tendencia lineal. ¿Por qué?

El cambio de tendencia de la gráfica se debe a que a partir de esa temperatura el agua está muy cerca de llegar al punto de ebullición por lo que las moléculas se encuentran con mayor energía.

3. ¿Qué significado tiene la curva del agua que contiene la mitad de masa del agua de la anterior curva?

Significa que cuando menor es la masa mayor es la pendiente, esto implica a su vez que requiere menor flujo calorífico.

4. Compare los tamaños de intervalos de temperatura para m=600 g y m=300 g.

Se observa que el intervalo de variación de temperatura para la mitad de la masa es mayor ya que se calienta con mayor rapidez debido a que contienen menor moléculas de agua y éstas adquieren energía rápidamente.

TÍTULO: ANÁLISIS DEL TRANSPORTE DEL CALOR EN FLUIDOS.

RESUMEN:

De la experiencia realizada se demostró que el permanganato de sodio que la corriente de agua viaja en forma de espirales desde la esquina del fondo del vaso hacia todo el vaso.Además se hizo el estudio de la acción de una llama sobre un espiral de papel, demostrándose que el espiral gira debido a que la llama del mechero genera una corriente ascendente.También se demostró que siempre en la convección de líquidos, el líquido asciende desde una zona caliente a otra menos caliente.

INTRODUCCIÓN:

En el presente informe se analizará la convección para fluidos. Para ello debemos definir en que consiste el término convección.

CONVECCIÓN:

Es la manera más eficiente de propagación de 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.

Lo que se busca al realizar esta experiencia es observar el transporte de calor en fluidos, para ello se hará uso de agua caliente con cristales de permanganato.

MÉTODO EXPERIMENTAL:

Para esta experiencia es necesario contar con los siguientes equipos y materiales: un soporte universal y una pinza (de donde se suspenderá la hoja de espiral), un vaso de precipitado (que contendrá agua con permanganato de potasio), una cuchara con mango de espátula (para agregar el permanganato), hilo (para colgar el espiral), un mechero de Bunsen (para calentar el agua y para que la llama del mechero haga girar al espiral).

El procedimiento consta de dos partes:

Primera Parte:

En esta parte de la experiencia se vierte agua en el vaso de precipitado y luego se añaden cristales de permanganato de potasio por el borde del vaso, se coloca la llama debajo del borde inferior del vaso, y se observa el recorrido del agua coloreada. Observar la Fig.1

Fig.1

Segunda Parte:

En esta segunda parte de la experiencia se observará la reacción de la hoja en espiral ante la acción de una llama baja del mechero, que debe estar a una distancia de 15cm aproximadamente.Se observará el giro del espiral. Observar la Fig.2

Fig.2

RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

En este punto se mostrarán los resultados de las dos partes de la experiencia.De la primera parte de la experiencia se observó que el agua coloreada al calentarse parte desde el borde inferior del vaso en forma de espiral ascendiendo por todo el vaso como se muestra en la Fig.1.

De la segunda parte, se obtiene que la llama del mechero hace girar la hoja en espiral debido a que la llama genera una corriente ascendente; al retirar la llama, el espiral gira en sentido contrario al giro anterior.

CONCLUSIONES:

- De la experiencia realizada se concluye que por efecto de la llama de mechero, la cual genera una corriente ascendente, el espiral gira sobre su propio eje.

- Además se concluye que la convección de fluidos se basa en que el fluido asciende de una zona caliente a otra menos caliente, como se observó con el agua coloreada con permanganato.

- También se concluye que el agua coloreada caliente asciende en forma de espiral por todo el vaso de precipitado.

RECOMENDACIONES:

Se recomienda no utilizar mucha cantidad de permanganato de potasio, para poder observar bien el fenómeno.

También se recomienda mantener el espiral a una distancia de 15 o 20cm de la llama del mechero para evitar que se queme el papel.

Se recomienda además recortar cuidadosamente el espiral y atarlo bien con el hilo a la pinza universal, para observar bien el fenómeno.

REFERENCIAS:

[1] Leyva Naveros, Humberto “Física” Tomo II. Ed. Moshera 2001

[2] Rojas Saldaña, Ausberto “Física” Tomo II. Ed. San Marcos 2002

http://es.wikipedia.org/wiki/Circulaci%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica

EVALUACIÓN:

1. Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano – atmósfera.

La circulación atmosférica es un movimiento del aire atmosférico a gran escala y, junto con la circulación oceánica,1 el medio por el que el calor se distribuye sobre la superficie de la Tierra. Sin embargo, hay que tener en cuenta que aunque el papel de las corrientes oceánicas es más pequeño de acuerdo con su volumen en comparación con el de la circulación atmosférica, su importancia en cuanto al flujo de calor entre las distintas zonas geoastronómicas es muy grande, por la notable diferencia de densidad entre la atmósfera y las aguas oceánicas que ocasiona que el calor específico transportado por un m³ de agua oceánica sea muy superior al que puede desplazar un m³ de aire.

La circulación atmosférica varía ligeramente de año en año, al menos a escala detallada, pero la estructura básica permanece siempre constante. Sin embargo, los sistemas atmosféricos individuales -depresiones de media latitud o células convectivas tropicales- ocurren aparentemente en forma aleatoria y está aceptado que el tiempo meteorológico a escala local o regional no se puede pronosticar más allá de un breve período: quizá un mes en teoría o (actualmente) sobre diez días en la práctica. No obstante, la media de estos sistemas -el clima- es muy estable.

2. ¿Qué sucede en nuestro medio durante el fenómeno del niño?

Este fenómeno consiste en un cambio en los patrones de movimiento de las corrientes marinas en la zona intertropical provocando, en consecuencia, una superposición de aguas cálidas procedentes de la zona del hemisferio norte inmediatamente al norte del ecuador sobre las aguas de emersión muy frías que caracterizan la corriente de Humboldt; esta situación provoca estragos a escala zonal (en la zona intertropical) debido a las intensas lluvias, afectando principalmente a América del Sur, tanto en las costas atlánticas como en las del Pacífico.

Las consecuencias de este fenómeno climático lleva a regiones aleatorias de América del Sur a:

Disminución de la intensidad de la corriente de Humboldt. Pérdidas pesqueras en ciertas especies e incremento en otras. Intensa formación de nubes generadas en la zona de convergencia intertropical. Periodos muy húmedos. Baja presión atmosférica. Generación de huaicos (Aluviones) Pérdidas agrícolas. En Uruguay este fenómeno suele dejar precipitaciones por encima de lo normal principalmente

en la Primavera-Verano y a la postre inundaciones de los principales ríos.

Condiciones de El Niño. La corriente de "agua caliente" va hacia la costa sudamericana. Ausencia de movimientos de agua fría incrementan el calentamiento.

3. ¿Qué son los vientos alisios? ¿Qué fenómenos los producen?

Los vientos alisios son un fenómeno meteorológico que hace referencia al clima bajo la influencia de El Niño y La Niña. Cuando las corrientes del océano y del aire cambian, también se produce una fluctuación de la temperatura del agua del océano. El Niño ocurre cuando los vientos alisios soplan con menor intensidad y las temperaturas del océano se vuelven más cálidas.

Los vientos alisios soplan de manera relativamente constante en verano (hemisferio norte) y menos en invierno. Circulan entre los trópicos, desde los 30-35° de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotación de la Tierra desvía a los alisios hacia el oeste, y por ello soplan del nordeste al sudoeste en el hemisferio y del sudeste hacia el noroeste en el hemisferio sur. 

4. Se sabe que el Sol está constituido por diversos gases, investigar cómo ocurre el transporte de energía a través de él.

Existe una región denominada convectiva que se extiende por encima de la zona radiante, y en ella los gases solares dejan de estar ionizados y los fotones son absorbidos con facilidad y se convierten en un material opaco al transporte de radiación. Por lo tanto, 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. Los fluidos se dilatan al ser calentados y disminuyen su densidad. Por lo tanto, se forman corrientes ascendentes de material desde la zona caliente hasta la zona superior, y simultáneamente se producen movimientos descendentes de material desde las zonas exteriores frías. Así, a unos 200 000 km bajo la fotosfera del Sol, el gas se vuelve opaco por efecto de la disminución de la temperatura; en consecuencia, absorbe los fotones procedentes de las zonas inferiores y se calienta a expensas de su energía. Se forman así secciones convectivas turbulentas, en las que las parcelas de gas caliente y ligero suben hasta la fotosfera, donde nuevamente la atmósfera solar se vuelve transparente a la radiación y el gas caliente cede su energía en forma de luz visible, y se enfría antes de volver a descender a las profundidades. El análisis de las oscilaciones solares ha permitido establecer que esta zona se extiende hasta estratos de gas situados a la profundidad indicada anteriormente. La observación y el estudio de estas oscilaciones solares constituyen el campo de trabajo de la heliosismología.

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSUniversidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

LABORATORIO DE FÍSICA II

HOJA DE EVALUACIÓN DE EXPERIENCIA DE LABORATORIO

Laboratorio: N°8 Análisis del calor absorbido y disipado en líquidos, Y Análisis del transporte en fluidos

Alumno: Figueroa Ayala, Branco José Código: 11070116 E.A.P: 0.72

Grupo: Jueves

Horario: 8-10 Fecha: 28 – 04 – 12

Criterios Puntos

A. Planificación de la investigación

A.1. Definición del problema de investigación y formulación de hipótesisA.2. Selección, manipulación y diseño de método para el control de variablesA.3. Diseño de un método de obtención de datos y selección de equipo y materiales apropiados

B. Recolección de la información

B.1. Obtención y registro de datos brutos

B.2. Organización y presentación de datos brutos

C. Análisis de la información, SU procesamiento y

presentación

C.1. Procesamiento de datos brutos

C.2. Presentación de los datos procesados

D. Conclusión y Evaluación

D.1. Extracción de conclusionesD.2. Evaluación de procedimientos y resultadosD.3. Mejora de la investigación

NOTA DEL INFORME