1. OBJETIVOS

1.1. Estudiar el comportamiento de la temperatura de un cuerpo caliente que se enfra hasta alcanzar la temperatura del medio ambiente.1.2. Determinar la ecuacin emprica de la ley de enfriamiento de Newton.

2. FUNDAMENTO TEORICO

Cuando existe una diferencia de temperatura dentro un cuerpo y el medio ambiente que le rodea, la evolucin espontanea, que se manifiesta, se produce en el sentido de igualar las temperaturas hasta alcanzar el equilibrio trmico.En el caso en el que un sistema (el medio ambiente) salo suficientemente grande, de tal forma que pueda absorber cualquier cantidad de energa de cuerpos en contacto con el sin alterar sus parmetros termodinmicos, se denomina a este sistema como foco trmico.La situacin que se presenta en la experiencia ser la de un cuerpo a temperatura elevada en contacto con un foco trmico, que ser el aire de la habitacin que rodea al sistema. Es un dato experimental que la evolucin se realizara en el sentido de una transferencia de energa entre el cuerpo y el foco trmico (aire del laboratorio). La energa intercambiada en este proceso se efecta en forma de calor y se comprueba experimentalmente que existen leyes empricas de singular simplicidad en el estudio del enfriamiento de los cuerpos. Una de ellas fue desarrollada por Newton y lleva su nombre.Isaac Newton (1641-1727) es reconocido por sus numerosas contribuciones a la ciencia. Entre otras cosas estudio el movimiento y estableci las leyes de la dinmica, enuncio la ley de la gravitacin universal explico la descomposicin en colores de la luz blanca cuando pasa por un prisma, etctera. A los 60 aos de edad, acepto un puesto como funcionario nacional y se desempe como responsable de la Casa de Moneda de su pas. All tena como misin controlar la acuacin de monedas. Probablemente se interes por la temperatura, el calor y el punto de fusin de los metales motivado por su responsabilidad de supervisar la calidad de la acuacin. Utilizando un horno a carbn de una pequea cocina, Newton realizo el siguiente experimento. Calent a rojo un bloque de hierro. Al retirarlo del fuego lo coloco en un lugar frio y observ como se enfriaba. Sus resultados dieron lugar a lo que hoy conocemos con el nombre de ley de enfriamiento de Newton, que se describe como:

( 1)

Donde la derivada de la temperatura respecto del tiempo representa la rapidez del enfriamiento, T es la temperatura instantnea del cuerpo, k es una constante que define el ritmo del enfriamiento es la temperatura del ambiente, que es la temperatura que alcanza el cuerpo luego de suficiente tiempo.Resolviendo la ecuacin diferencial:

Si un cuerpo se enfra a partir de una temperatura inicial hasta una la ley de Newton puede ser vlida para explicar su enfriamiento. La ecuacin:

Que es la solucin de (1), podra representar la evolucin de la temperatura en el tiempo. Al analizar la relacin de dependencia entre y el tiempo t se observa el siguiente comportamiento.

*Diagrama de dispersionCurva de tendencia

Figura 1. Grafica

Es decir, esta ley establece que el enfriamiento de un cuerpo es proporcional, en cada instante, a la diferencia con la temperatura ambiente. Entonces, siendo la temperatura inicial con que introducimos un cuerpo en un ambiente a una temperatura al cabo de un tiempo t la temperatura del cuerpo es:

(3)

Donde es constante de tiempo de enfriamiento, y es particular de cada cuerpo. Dicha constante est relacionada con k de la siguiente manera:

(4)

3. RESUMENLo primero que haremos, ser revisar el funcionamiento del equipo y que este se encuentre perfectamente equilibrado.Armamos el soporte, del cual colgara el termmetro, lo ajustamos bien y procedemos a cortar un trozo de alambre, este trozo de alambre lo sujetaremos y amarraremos bien del soporte y con el termmetro lo uniremos, dejando a este colgando. Llenamos un recipiente con agua, de preferencia que soporte temperaturas elevadas, y lo ponemos sobre el foco de calor.Introducimos el termmetro en el agua, de modo que este se quede sumergido en ella, pero a la vez en el aire (Que no toque el fondo del recipiente).Encendemos el foco y esperamos a que el termmetro registre los 100 C o lo mas cerca posible que pueda llegar.Una vez obtenidos los 100C apagamos el foco y retiramos el termmetro, dejndolo colgando y expuesto a la temperatura ambiente.Esperamos que la temperatura llegue a los 70C y con la ayuda de un cronometro comenzamos a medir el tiempo en intervalos de 5C hasta que este llegue a los 30 CRegistramos estos datos en una tabla y procedemos a desarmar y guardar el instrumental usado.

4. MATERIALES E INSTRUMENTOSMaterialesInstrumentosPrecisin

AguaFoco calienteTermmetro

Soporte

Alambre

Electricidad

5. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES

5.1. Medir la temperatura del medio ambiente.

5.2. Instalar el equipo, evitando que el termmetro choque con las paredes y/o fondo del vaso de precipitacin. Calentar en el vaso de precipitacin 500 g de agua hasta el punto de ebullicin. Apagar la cocina elctrica.5.3. Subir cuidadosamente la mordaza del soporte universal hasta retirar el termmetro del agua, intentando no mover mucho el mismo para no agitar el aire circundante. Retirar de la cocina el vaso de precipitacin. Rpidamente secar el bulbo del termmetro con papel absorbente o una franela (Figura 2(b))

(a)(b)Figura 2. (a) Masa de agua de 500 g siendo calentada hasta el punto de ebullicin, (b) Mediciones de tiempo y temperatura durante el enfriamiento del agua.5.4. Paralelamente al paso anterior, tener el cronometro listo para ser activado en cuanto el termmetro marque una temperatura de 70C, que ser la temperatura inicial

5.5. En la Tabla 1 se registraran los valores de temperatura que va marcando el termmetro de acuerdo al tiempo indicado.

TABLA 1. Valores de tiempo y temperatura.

N123456789

t(s)012.8126.4941.7960.5388.58127.35180.27272.3

T(C)706560555045403530

6. PROCESAMIENTO Y ANALISIS

Anlisis Grafico 6.1. Llene los casilleros de la Tabla 2, de acuerdo a los valores mostrados en la Tabla 1 y el dato de dado en el tem 5.4, teniendo en cuenta adems de . Luego halle los valores correspondientes al .

TABLA 2. Valores de tiempo, incremento de temperatura y

Nt(s)

10443.78

212.81393.66

3 26.49343.52

441.79293.36

560.53243.17

688.58192.94

7 127.35142.63

8 180.2792.19

9 272.3041.38

6.2. Con los datos de la Tabla 2, grafique en papel milimetrado . Qu tipo de relacin de dependencia existe entre las variables? Indique tambin la expresin matemtica que la representa.

6.3. Describa el comportamiento de las temperaturas iniciales y finales despus del enfriamiento. Las temperaturas iniciales a comparacin de las finales tienen una mayor rapidez en perder calor.

6.4. Con los datos de la Tabla 2, grafique en papel milimetrado . Puesto que, esta grafica es resultado del proceso de linealizacion, escriba los valores hallados del intercepto y la pendiente.

A=-0.1436B=36.927

6.5. Aplicando las funciones inversas respectivas, determine la ecuacin emprica que relaciona

Ecuacin emprica:

7. RESULTADOS

Mtodo de AnlisisGrafica Grafica

GrficoA (-0.1436)B (36.927 )Ecuacin empricaEcuacin emprica ( )

8. CONCLUSIONES

8.1. Qu es el calor? Cules son los mecanismos fundamentales de transmisin de calor? Explique brevemente. Es una forma de energa que se presenta cuando existe diferencia de temperaturas, esta energa se encuentra en proceso de paso o transicin. Conduccin: Laconduccines la manera de transferir calor desde una masa de temperatura ms elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo.Conveccin: es un intercambio de calor entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. El transporte del calor se produce por movimientos naturales debidos a la diferencia de temperaturas.Radiacin: Es un mecanismo de transmisin de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorcin y emisin de energa por ondas electromagnticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energa.

8.2. Enuncie con sus propias palabras la Ley Cero de la Termodinmica. La ley cero de la termodinmica establece que si un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendr la misma temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarn los tres, enequilibrio trmico. Es decir: los cuerpos A, B y C, tendrn igual temperatura.

8.3. Con que principio fsico funciona el termmetro utilizado? Explique desde el punto de vista atmico. Por el principio de la dilatacin volumtrica, el mercurio se expande o contrae dependiendo de su temperatura.