Lab 8 Fisica 2

 

OBJETIVOS   Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una

sustancia líquida.   Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbida/disipada para

diferentes proporciones del líquido.   Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos.

MATERIALES / EQUIPOS

CALOR ABSORVIDO/DISIPADO   1 Mechero bunsen   1 Soporte Universal   1 Clamp   1 Termómetro   1 Agitador   1 Vaso de precipitado de 500 ml   1 vaso de precipitado de 200 ml   Papel milimetrado   Papel Toalla

CONVECCIÓN   1 Mechero bunsen   1 Soporte Universal   1 Pinza universal   1 Vaso de precipitado de 200 ml   1 Cuchara de mango   Permanganato de potasio   Espiral de papel preparado

 

 

 

FUNDAMENTO TEÓRICO   CALOR



El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

  CALOR ABSORBIDO Y CALOR DISIPADO



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

  (−)   =  (− ) 

(1) 

Donde: Ce 

:

Calor específico

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,

 =  = 

(2) 

De 1 y 2 se tiene:

  =  =    Luego

=    

 

 

 

Integrando e iterando se tiene

  ∫  = ∫     

→  =   +  

(3)

 

La ecuación 3 obtenida relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde H/mc representa la pendiente y T 0 la temperatura inicial. Si el cuerpo se encuentra en su 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

o

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

o

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

=−

 

  FORMAS DE PROPAGACIÓN DE CALOR



La propagación del calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que tienen diferente temperatura. Existen

tres

formas

de

propagación

del

calor

que

son

por: conducción, convección y radiación y que a veces puede producirse en forma combinada.

-  Conducción Esta forma de propagación se da en los sólidos, cuando se aplica calor a un objeto sólido, la zona donde absorbe calor se calienta y sus partículas adquieren mayor movilidad que el resto del cuerpo y cada partícula transmite el calor a las partículas vecinas, con el cual el calor acaba por propagarse por todo el objeto.

 

 

Ejemplos: o  Utensilios metálicos para cocinar, como por ejemplo una olla de acero. Esta recibe el calor en la base y luego se propaga por toda la olla. Es por ello que las asas tienen que ser de un material aislante como madera o plástico, para no sufrir quemaduras. 

  Tenemos un vaso de leche que está muy caliente. En su interior se introduce

o

una cuchara. Al pasar un rato, si se toca la cuchara que se encuentra en su interior, se nota que se va calentando cada vez más. má s. Esta transferencia de calor se ha producido desde una sustancia, que es la leche, hasta un cuerpo, que es la cuchara. 

 



- 

Convección

La propagación del calor por convección se da en los líquidos y en los gases. Es decir cuando calentamos un líquido o un gas en un recipiente, las primeras partículas en calentarse son las del fondo, por la que parte del líquido o del gas del fondo se dilata y disminuye su densidad y al ocurrir esto esta parte del líquido o gas asciende por el recipiente y la parte del líquido o gas que estaba encima baja para ocupar el espacio dejado, originándose las llamadas corrientes de convección que van calentando todas las sustancias del recipiente. Ejemplos: 

  El aire por convección origina los vientos. o  Si se coloca una espiral de cartulina, en un soporte universal y se sopla desde o

abajo hacia arriba se puede apreciar cómo esta comienza a girar alrededor del punto donde se apoya. También si se coloca una una vela encendida o cualquier otra fuente de calor debajo del espiral, esta gira porque el aire que se calienta, asciende y esto se demuestra porque se pone en movimiento la espiral, igual que cuando se soplaba desde abajo hacia arriba. Por tanto, se producen corrientes de aire caliente que suben y de aire frío que baja. 

- 

 

Radiación La radiación es la propagación del calor que tiene lugar sin el apoyo del ningún medio material.

 

Ejemplos:  o  Los radiadores o  Las aguas del mar reciben la radiación del sol por eso logran evaporarse. Los panaderos, cuando van a sacar el pan del o  horno, están recibiendo el calor procedente de este, por radiación.

PARTE EXPERIMENTAL  MONTAJE 1 –  CALOR  CALOR ABSORVIDO / DISIPADO PASO 1: 

- 

Montamos el siguiente equipo para realizar el experimento.

2:   PASO 2:

- 

Colocamos 400g de agua en el vaso pírex a temperatura del ambiente.

PASO 3: 

-  - 

Encienda el mechero. Mantener la llama constate durante toda la experiencia.

 

 

4:   PASO 4:

- 

Agitar el agua previamente y leer la temperatura cada 30 segundos hasta llegar al punto de ebullición

- 

Se anotaron los datos en la Tabla 01 TABLA 01 (mH2O = 400g)

Temperatura Inicial = 24°C t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

0.5

25.5

6.0

54

11.5

76.5

17.0

89.5

1.0

28

6.5

56.5

12.0

78

17.5

90

1.5

30

7.0

58.5

12.5

80

18.0

90.5

2.0

32

7.5

61

13.0

81.5

18.5

91

2.5

35

8.0

63

13.5 13. 5

82.5

19.0

91.5

3.0

38

8.5

65.5

14.0

83.5

19.5

92

3.5

40.5

9.0

67.5

14.5

85

20.0

93

4.0

44

9.5

69.5

15.0

86

20.5

94

4.5

46.5

10.0

71

15.5

87

21.0

94.5

5.0

49

10.5

73

16.0

88

21.5

95

5.5

51.5

11.0

75

16.5

89

PASO 5:

- 

Repetimos los pasos del 1 al 4 bajo las mismas condiciones anteriores; pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la anterior (masa de agua 200g)

- 

Los datos se anotaron en la tabla 02.

TABLA 02 (mH2O = 200g)

Temperatura Inicial = 24°C

 

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

0.5

25

2.5

45

4.5

68

6.5

92

1.0

30

3.0

51

5.0

74

7.0

96

1.5

34.5

3.5

57

5.5

79

7.5

98

2.0

40 40

4.0 4 .0

63

6.0

84

8.0

98.5

PASO 6: 

- 

Realizamos la gráfica Temperatura vs tiempo, para los dos casos anteriores usando papel milimetrado.

PASO 7: 

 

- 

Determinamos la ecuación de la gráfica mediante el método de mínimos cuadrados. De la tabla 01 se obtuvo la ecuación T = (3.3574)t + 32.196 De la tabla 02 se obtuvo la ecuación T = (10.588)t + 19.688

  De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa?



Sabemos según la ecuación 3:

 =   + 

 

De donde se sabe que H/mc es la pendiente de la gráfica, si la masa es mayor entonces la pendiente de la gráfica disminuye. En conclusión la gráfica que tiene mayor es la que tiene menor pendiente (está menos inclinada) la cual corresponde a la gráfica de la Tabla 01.

  Determinar la cantidad de calor absorbido para cada caso:



Para la tabla 01 Temperatura Inicial Temperatura Final Masa de agua Calor especifico del agua

T0 = 24°C T= 95°C m=400g Ce=1 cal/g°C

De la ecuación 1

 =  ( −  ) =1400(95−24) = 28 28.4.400 00    Para la tabla 02 Temperatura Inicial Temperatura Final Masa de agua Calor especifico del agua

T0 = 24°C T= 98.5°C m=200g Ce=1 cal/g°C

De la ecuación 1

 =  ( −  ) =1200(98.5−24) = 14 14.9.900 00    PASO 8: 

 

-- 

 

Colocamos el termómetro agua anterioren yaelcaliente Colocamos el vaso   en un vaso de espuma de poliuretano.

 

 

-  - 

Anotamos la temperatura minutos.  Se anotaron los datos en la tabla 03  

cada 10 segundos durante 4

TABLA 03 t(seg)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

10

92

70

87

130

81

190

78

20

90

80

86.5

140

80.5

200

77.5

30

89

90

85

150

80

210

77

40

88.5

100

84

160

79.5

220

76.5

50

88

110

82.5

170

79

230

76

60

87.5

120

81.5

180

78.5

240

75

PASO 9: 

-  - 

Secamos un cubo de hielo con papel toalla  Lo introducimos rápidamente en el agua  

PASO 10: 

-  - 

Continuamos tomando la temperatura cada 10 segundos hasta 4 minutos hielo que el cubo de hielo se haya fundido.  Los datos se anotaron en la tabla 04  TABLA 04 t(seg)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

t(min)

T(°C)

10

65

70

63.5

130

62 62

190

60.5

20

64.5

80 80

63

140

61.8

200

60.3

30

64

90

62.8

150

61.8

210

60

40

64

100

62.8

160

61.5

220

59.8

50

63.8

110

62.5

170

61

230

59.5

60

63.8

120

62.3

180

60.8

240

59.3

 

 

  Determine el volumen final del agua  

o

Vfinal = 210.5 ml

Este volumen se obtuvo colocando el líquido final en una probeta graduada y viendo el volumen que indica.

  ¿Qué masa de agua tenia originalmente?  

o

magua inicial = 200g

Es la masa que se usó inicialmente

  ¿Qué masa tenía de hielo originalmente? 

o

mhielo original = 200g

Sabemos que al final se tienen 210.5 ml de agua, es decir 210.5 g de agua, por lo tanto significa que 10.5 g de agua es igual a la masa de hielo que se fundió.

PASO 11: 

- 

Hacer una gráfica T versus t

 

La gráfica en papel milimetrado se adjunta en los anexos. 

- 

Calcular la cantidad de calor total pérdida por el agua mientras el hielo se fundía   Temperatura Inicial Temperatura Final Masa de agua Calor especifico del agua

T0 = 65°C T= 59.3°C m=200g Ce=1 cal/g°C

De la ecuación 1

   =  ( −  ) =1200(65−59.3) = 1.14 14   

EVALUACIÓN 1.  Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, específic o, pero de igual masa ¿Cómo sería el grafico? Trácelo y descríbalo.

El gráfico seguiría siendo una recta, sin embargo, la pendiente variará. Recordemos la ecuación que relaciona la temperatura con el tiempo:

 =     +   Donde c es el calor especifico. Ahora bien, el coeficiente de t vendría a ser la pendiente de dicha recta. Es decir:

=    Vemos que esta pendiente tiene en su expresión al calor específico c y se relaciona inversamente proporcional a ella.

Es decir, a un mayor c la pendiente de la recta será menor, en cambio, a un menor c la pendiente será más pronunciada.

 

  Entonces vemos que si trabajamos bajo las mismas condiciones, cambiando solo el agua por otro líquido de mayor calor especifico, la recta tendrá una menor pendiente con respecto a la inicial (para el agua) por lo mencionado líneas arriba.

2.  ¿Por qué en el ajuste de la gráfica no se considera el intervalo de 75°C a 100°C?

No se considera debido a que en ese intervalo para los tiempos que pasan la temperatura varia muy poco, y como el termómetro indica las temperaturas para cada 0.5°C, entonces se cometería errores en la toma de temperaturas ya que se obtendrían con imprecisión alterando los resultados al realizar el ajuste de rectas.

3.  Determine el flujo calorífico en cada caso. Físicamente, ¿A quién se debe dicho valor? Para la tabla 01

=3,290+32,69  (3290 3290)) =   Por comparación: 3,290=    → ( Reemplazando masa ( = 400 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃)  3,290((400 3,290 400)()(1,1,00)0) =   Luego de aplicar regresión lineal:

  Para la tabla 02

=1316 =1316 ⁄

 

=9,897+21,52  (9,897) 97) =   Por comparación: 3,290=    → ( Reemplazando masa ( = 200 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃)  9,897( 97(200 200)()(1,1,00)0) =   =1979,4 ⁄  Luego de aplicar regresión lineal:

Para la tabla 03

=−0,068+91,05  Por comparación: (3290 3290)) =   3,290=    → ( Reemplazando masa ( = 200 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃)  −0,068( 68(200 200)()(1,1,00)0) =   =−13,6 ⁄  Luego de aplicar regresión lineal:

Para la tabla 04

=−0,023+65,05  (3290 3290)) =   Por comparación: 3,290=    → ( Reemplazando masa ( = 200 ) y calor especifico del agua (=1,00 ⁄℃)  3,290((400 3,290 400)()(1,1,00)0) =   =−4,6 ⁄  Luego de aplicar regresión lineal:

4.  Indique el tiempo que demoró en recorrer el intervalo 80°C y 85°C. Revise el caso registrado entre 50°C y 55°C Usando la ecuación de la tabla 01

=3,290+32,69  Tomando T = 80 y T=85 se tiene

=80=3,290+32,69→  = 14.3 14.388   =85=3,290+32,69→  = 15.9 15.900   El tiempo que demoro en recorrer fue:

 −  =1.52    =  Usando la ecuación de la tabla 01

 

=3,290+32,69  Tomando T = 50 y T=55 se tiene

=50=3,290+32,69→  = 5.2266   =55=3,290+32,69→  = 6.7788   El tiempo que demoro en recorrer fue:

 =  −  =1.52   Se observa que para iguales cambios de temperatura es igual el intervalo de tiempo. 5.  ¿Qué relación existe entre las pendientes de las diferentes gráficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos?

De todos los casos se tienen las siguientes relaciones:

  Las pendientes de las gráficas son H/mc donde se observa una relación inversa

o

entre la pendiente y el calor específico del material y también con la masa.

  Sabemos que un cuerpo con mayor calor específico significa que necesita

o

absorber una mayor cantidad de calor para aumentar su temperatura.

  Sabemos que un cuerpo con mayor masa, tiende a absorber más calor que un

o

cuerpo con menor masa. De todo lo anterior se tiene que una gráfica con mayor pendiente indica un menor calor específico y a menor calor especifico que el calor absorbido por el cuerpo es menor. Existe relación inversa entre la pendiente y el calor absorbido. 6.  Los motores automotrices no pueden refrigerarse por sí solos. ¿Qué sistemas usan y que principio de propagación usan para disipar la energía calorífica? Sistemas de refrigeración

Los sistemas actualmente empleados para la refrigeración de los motores, tanto de gasolina como Diesel, son los siguientes:   

   

Refrigeración por aire Refrigeración por agua o mixtos

  Refrigeración por aire 

 

Este sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmósfera a través del aire que lo rodea. Para mejorar la conductibilidad térmica o la manera en que el motor transmite el calor a la atmósfera, estos motores se fabrican de aleación ligera y disponen sobre la carcasa exterior de unas aletas que permiten aumentar la superficie radiante de calor. La longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura alcanzada en las diferentes zonas del cilindro, siendo, por tanto, de mayor longitud las que están mas próximas a la cámara cáma ra de combustión.

CONCLUSIONES   Investigar

el

comportamiento

de

la

energía

térmica

absorbida/disipada por una sustancia líquida.   Hacer

un

estudio

comparativo

de

la

cantidad

de

absorbida/disipada para diferentes proporciones del líquido.

calor

 

  Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos.

RECOMENDACIONES   Primera recomendación es utilizar mas de un cubo de hielo

para que se pueda verificar el cambio de temperatura.   Se puede observar un cambio cuando se calientan los espirales si los coloca al ras del fuego.   Agitar el agua en cada momento para tener valores más exactos de temperatura.