Fisica II UNMSM

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA

E.A.P DE INGENIERÍA ELECTRÓNICAE.A.P DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

Informe # 8

Tema: Calor Absorbido/Disipado y

Convección

Integrantes:

2013

ELECTROTECNIA UNMSM

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS(Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICAE.A.P DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

E.A.P. DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

CALOR ABSROBIDO/DISIPADO Y CONVECCIONEXPERIENCIA N° 07

I. OBJETIVO

Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una sustancia liquida.

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. MATERIALES / EQUIPOS

Calor absorbido/disipado

1 mechero bunsen 1 soporte universal 1 clamp 1 termómetro 1 agitador 1 vaso de precipitado graduado de 500 cc. 1 vaso de precipitado de 200 cc. Papel milimetrado Papel Toalla

Convección

1 mechero bunsen 1 Soporte universal 1 clamp 1 termómetro 1 Pinza universal 1 vaso de precipitado de 200 cc. 1 cuchara de mango (espátula) Permanganato de potasio. Espiral de papel preparado.

III. ¿QUÉ ES?

El calor absorbido y disipado se da entre dos cuerpos a diferentes temperaturas en donde el cuerpo con mayor temperatura le transfiere calor al de menor. Además el calor disipado también se da por la transformación de energía como es el caso de una resistencia eléctrica ya que los electrones que fluyen por este chocan con los átomos y moléculas del material por lo cual la temperatura de la resistencia aumenta la cual es disipada calor al medio ambiente.

La convección es una forma de transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido, que este cerca y que además este en movimiento e implica los efectos combinados de conducción y del movimiento de un fluido. Cuando mayor es el movimiento de un fluido mayor es la transferencia de calor por convección.

IV. ¿PARA QUE SIRVE?

Energía geotérmica

Se denomina energía geotérmica a la energía almacenada en forma de calor por debajo de la tierra. Esta definición incluye el calor que se encuentra en las rocas, suelos y aguas termales, cualquiera sea su temperatura, profundidad o procedencia. En la actualidad, está considerada como una fuente de energía renovable abundante y de explotación viable. Por su temperatura o “entalpía” (magnitud termodinámica simbolizada con la letra H mayúscula) se presentan de la siguiente manera:

Hasta el momento se han desarrollado diferentes tecnologías para aprovechar el calor extraído de la tierra y, en el futuro inmediato, se proyectan varias más. Por ejemplo, en el caso de las zonas con media y alta entalpía, existe la posibilidad de instalar plantas de generación de energía eléctrica a partir de turbinas de vapor. Para las zonas donde el agua ya sale evaporada (o de alta entalpía) se utilizan los sistemas de ciclo directo con expansión súbita de una o dos etapas.

V. FUNDAMENTO TEORICO

Caso 1: Calor absorbido

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

Esto es :

Q α m (T−T 0)

Q=mCe (T−T 0 )

Donde:

Ce : Calor especifico

T0 : temperatura inicial de referencia

T: temperatura final

El suministro de energía térmica por unidad de tiempo, corresponde a que este recibe un flujo calorífico H.

Si el flujo es constante,

H=dQdt

=cte dQdt

=mC edTdt

=H

Luego resulta:

dT= HmC e

dt

Integrando se obtiene:

∫T 0

T

dT= Hm Ce

∫0

t

dt

T= HmC e

t+T 0

La última ecuación relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde H

mC e representa la pendiente y T0 la temperatura inicial.

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

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

- 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

Caso 2: Convección

La propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en solidos), 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 forma 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 frio 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 atmosfera dan lugar a las precipitaciones pluviales.

VI. PROCEDIMIENTO

Montaje 1: Calor Absorbido/Disipado

1. Monte el equipo, como muestra el diseño experimental.2. Coloque en el vaso pirex agua a temperatura ambiente, casi hasta la parte

superior.3. Anote el valor de la temperatura y del volumen de agua.

T 0=¿V=¿4. Encienda el mechero. Busque un flujo aproximadamente constante. La llama no

debe ser muy fuerte ni estar muy cerca del vaso.5. Mida la distancia entre la llama y el vaso. Mantenga fija esta distancia durante

toda la práctica a fin de que no cambien las condiciones de experimentación. Distancia:

6. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada 30 seg. Hasta llegar a punto de ebullición. Anote los datos en la tabla 1.

t(min) T(°C)0 21

0.5 231 27

1.5 312 36

2.5 393 43

3.5 474 51

4.5 545 58

5.5 616 65

6.5 687 71

7.5 748 78

8.5 819 84

9.5 8610 89

10.5 9111 94

11.5 96

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

Temperatura VS tiempo

tiempo(min)

Tem

pera

tura

(°C)

12 97

7. Repita los pasos (1) al (5) bajo las mismas condiciones anteriores; ahora use la mitad de agua anterior. Anote los datos en la tabla N°2

t(min) T(°C)0 21

0.5 221 27

1.5 342 41

2.5 463 53

3.5 584 63

4.5 685 74

5.5 786 83

6.5 877 91

7.5 938 94

8.5 94

8. Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos anteriores (use papel milimetrado).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Temperatura VS tiempo

tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C)

Total

9. Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75°C. De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa?

Para la tabla 1

y i=T (° C) x i ∙ yi x i2

0 21 0 00.5 23 11.5 0.251 27 27 1

1.5 31 46.5 2.252 36 72 4

2.5 39 97.5 6.253 43 129 9

3.5 47 164.5 12.254 51 204 16

4.5 54 243 20.255 58 290 25

5.5 61 335.5 30.256 65 390 36

6.5 68 442 42.257 71 497 49

7.5 74 555 56.2560 769 3504.5 310

Usamos la fórmula para hallar la recta de ajuste

Sea y=mx+b la pendiente m se calcula por:

m=p∑ xi y i−¿∑ x i∑ y i

p∑ x i2−¿ (∑ xi )

2¿

¿

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i y i∑ x i

p∑ x i2−¿ (∑ x i )

2¿

Donde P es el número de datos medidos

-Remplazando en la fórmula:

m=p∑ xi y i−¿∑ x i∑ y i

p∑ x i2−¿ (∑ xi )

2¿

¿

x i=t (min)

Total

m=16 ×3504.5−60 ×76916 × 310−602

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i y i∑ x i

p∑ x i2−¿ (∑ x i )

2¿

b=310× 769−3504.5 ×6016 ×310−602

b=20.67647

DE aquí obtenemos la relación:

T ( t )=7.3029 t+20.67647

Para la tabla 2

y i=T (° C) x i ∙ yi x i2

0 21 0 00.5 22 11 0.25

1 27 27 11.5 34 51 2.25

2 41 82 42.5 46 115 6.25

3 53 159 93.5 58 203 12.25

4 63 252 164.5 68 306 20.25

5 74 370 2527.5 507 1576 96.25

Usamos la fórmula para hallar la recta de ajuste

Sea y=mx+b la pendiente m se calcula por:

m=7.3029

x i=t (min)

m=p∑ xi y i−¿∑ x i∑ y i

p∑ x i2−¿ (∑ xi )

2¿

¿

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i y i∑ x i

p∑ x i2−¿ (∑ x i )

2¿

Donde P es el número de datos medidos

-Remplazando en la fórmula:

m=p∑ xi y i−¿∑ x i∑ y i

p∑ x i2−¿ (∑ xi )

2¿

¿

m=11×1576−27.5 ×50711× 96.25−27.52

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i y i∑ x i

p∑ x i2−¿ (∑ x i )

2¿

b=96.25× 507−1576 × 27.511×96.25−27.52

b=18.045

DE aquí obtenemos la relación:

T ( t )=11.21818 t +18.045

Graficando los datos presentamos el siguiente gráfico:

m=11.21818

Por la ecuación:

T= HmC e

t+T 0

La cantidad: H

mC e es la pendiente de las rectas en las gráficas, donde H es el flujo calórico

por unidad de tiempo, como la cantidad H es contante (mantenemos constante la llama

del mechero durante el experimento, por lo que el flujo de calor debe ser constante),

además la cantidad Ce que es llamado calor especifico del cuerpo, es una constante y

depende de las propiedades del cuerpo, en este caso agua; por lo que la única que puede

variar es la masa de agua. Por lo que si la masa aumenta, H

mCe disminuye, con eso

podemos determinar que grafica representa al líquido con mayor masa.

En conclusión tendrá mayor masa el que liquido cuyo grafico tenga la menor pendiente,

para nuestro caso tenemos que el grafico m1(color naranja ) es mayor que m2 (color

celeste.)

10.-vierta agua caliente en la probeta graduada hasta 200mL .Luego viértalo en el vaso de espuma de poliuretano. Coloque un termómetro en el vaso de espuma y tome la temperatura del agua cada 10s durante 3 min. Anote los datos en la tabla 3.

TABLA 3

T (°C) 85 84 84 83.5 83 82.8 82 81.8 81.1 80.5 80 79 79.5 79 78.5 78 77.8 77.5

0 1 2 3 4 5 6 7 80

1020304050607080

f(x) = 7.30294117647059 x + 20.6764705882353

f(x) = NaN x + NaNTemperatura VS tiempo

tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C)

t (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

11.- seque un cubo con hielo con una toalla de papel e introdúzcalo en el agua.

12.- Continúe tomando la temperatura cada 10s, agitando suavemente, hasta 3 minutos después que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4.

TABLA 4

T (°C) 71 70.8 70.8 70.5 70.2 70 69.8 69.5 69 69 68.8 68.8 68.5 68.3 68 67.9 67.5 67.5

t (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

160 170 180

¿en qué instante de tiempo exacto el hielo termina de fundirse?Termina de descongelarse en: 24.97s

Determine el volumen final del agua:el agua se merma por la evaporación 185mL

¿qué masa tenía el agua inicialmente?

m0=2.1 g Explique cómo determino estas masas:

La masa del agua de determino con la densidad de la misma y la masa del hielo pesándola sobre la balanza pero cogiéndola con un trapo para no derretirla.

13.- haga una gráfica T vs. t.

Antes de agregar el hielo:

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20072

74

76

78

80

82

84

86

f(x) = − 0.0447471620227038 x + 85.1954248366013R² = 0.98665034736134

T (°C) vs t(s)

T (°C)Linear (T (°C))

t(s)

T (°C

)

Después de agregar el hielo:

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20065

66

67

68

69

70

71

72

f(x) = − 0.0215583075335397 x + 71.2647058823529R² = 0.990004494121005

T (°C) vs t(s)

T (°C)Linear (T (°C))

t (s)

T (°C

)

¿Cómo afectó el cubo de hielo añadido al agua la rapidez de enfriamiento?

Según las pendientes que se ve al comparar antes y después de agregada el hielo. Nos indica que la rapidez de enfriamiento aumenta al agregar el hielo al agua

Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía.

Q=mc ∆ T Cagua=1.00 calg .° C

Q perdida ( inicial )=198 g x 1.00 calg . °C

x (85 °C−77.5 °C )cal

Q perdida ( inicial )=1485 cal

Q perdida (hielo )=198 g x1.00 calg . °C

x (77.5 °C−72 °C )cal

Qperdida (hielo )=12969 cal

Montaje 2: convección (en agua)

1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 200mL de agua.2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de

permanganato de potásico.3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados.4. Mientas se calienta, observe atentamente el agua coloreada.

Anote sus impresiones. Al introducirse el permanganato potásico al agua, en cierto punto donde se concentra la mayor cantidad de calor este empieza a colorear a la porción de agua que se encuentra. Esta porción de agua empieza a circular en el vaso de precipitados circulación según la diferencia de temperatura que se genera al calentarse y enfriarse contantemente generándose un ciclo visible fácilmente gracias al teñido del agua.

5. Dibuje, esquemáticamente, en la figura 2, con líneas punteadas como el agua sube y baja. Explique lo que observa mientras se calienta el agua.

a) El agua sube del punto “A” a la “B” por la diferencia de densidades entre el agua fría y caliente, el agua caliente menos denso que el agua fría.

b) Se dirige del punto “B” a la “C”, por una diferencia de temperatura Tc<Tb.c) El agua en el punto “C” se enfría provocando que este descienda de “C” a “D”.d) Por ultimo regresa al punto “A” por una diferencia de temperatura.

Montaje 3: convección (en aire)

1. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.2. Haga un nudo en 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 el espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones.

La espiral gira en sentido horario visto de la parte superior.Al acercar la espiral a la llama gira con mayor intensidad mientras que al alejarla gira lentamente. Además en cierto momento la espiral se detenía esto debido a que la cuerda que la sujeta había alcanzado su límite en cuanto a torsión pero luego de alejar la llama la cuerda retornaba a su estado original y la espiral volvía a girar.

¿Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, el giro seria el mismo? ¿Por qué? Gira en sentido contrario esto debido al diseño de la espiral.

6. Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno.a) Cuando una sustancia es forzada a moverse por un ventilador o una bomba, como en

algunos sistemas de calefacción de aire.b) Circulación de aire en una playa es un modo de convección natural.c) La mezcla que se presenta cuando el agua de la superficie de un lago se enfría y se

hunde.

I. Evaluación1. Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa,

¿Cómo sería el gráfico?

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

Temperatura VS tiempo

tiempo(min)

Tem

pera

tura

(°C)

0 2 4 6 8 10 12 140

102030405060708090

100

Temperatura vs Tiempo

Tiempo(min)

Tem

pera

tura

(°C)

El primer grafico corresponde al líquido usado en la experiencia, mientras que el segundo a otro líquido de mayor calor específico.Como se observa el líquido de mayor calor específico tiene una pendiente menor, esto se debe a que el calor específico y la variación de la temperatura tienen una relación inversa.

2. ¿Cuál es la razón de que en este experimento la temperatura no llegue a 100°C?Se asume que el agua al llegar a los 100°C entra a estado de ebullición, pero esto no es cierto siempre. El punto de ebullición de las sustancias no depende sólo de la naturaleza de la misma, también del medio en el que está la sustancia. Una de las variables físicas que más influyen en el punto de ebullición del agua es la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso del aire que tenemos sobre nosotros. Por ello a mayor altitud hay mayor presión atmosférica.

3. Para el caso de agua, aproximadamente a partir de 75°C la gráfica de temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal. ¿Por qué?Mientras una sustancia está cambiando de estado, por ejemplo de líquido a gas, la temperatura no aumenta porque toda la energía que le estamos dando a la sustancia la "utiliza" para cambiar de estado y no para subir la temperatura. Esto quiere decir, si consideramos el punto de ebullición del agua 90ºC, nunca el agua va a estar a más de 90ºC.

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.El tiempo que demoró en recorrer el intervalo entre 80°C y 85°C es aproximadamente 1 segundo, mientras que entre 50°C y 55°C se tardó un poco más de medio segundo.

5. ¿Qué significado tiene los datos del paso 7?

Al ser menor la masa de agua m/2 este es fácilmente calentado por la misma cantidad de fuego.

6. -compare los tamaños de los intervalos de temperatura para las masas m y m/2.

La rapidez de calentamiento del agua es mucho mayor al calentar menos cantidad de agua, esta velocidad se observa en los intervalos de calentamiento de ya sea para 400ml y 200ml.

En promedio para 400ml la velocidad de calentamiento es de 6.6 °C/s y para 200ml es de 9.6 °C/s

7. investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-atmosfera.

La atmósfera está compuesta por capas cuya existencia es consecuencia de la absorción por diferentes gases. En la capa inferior, llamada troposfera la superficie se calienta no sólo por radiación solar, sino también por la emisión hacia abajo de la propia atmósfera. Esto hace que la troposfera tienda a ser inestable y se produzca convección. En el océano también ocurre convección, fundamentalmente como consecuencia de un enfriamiento por intercambio con la atmósfera.

Durante el día el sol calienta más fácilmente la tierra, ya que el agua tiene más inercia térmica. Durante el día la tierra está más caliente y el aire aumenta de presión lo que origina un desplazamiento de las masas altas de este hacia el mar. El vacío que se forma en la zona costera para recuperar el aire que se ha escapado por las zonas altas, produce un viento hacia la costa desde la mar.

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

El fenómeno del niño es un fenómeno de alcance mundial, consiste en cambios inusuales en las condiciones marinas y atmosféricas especialmente en el océano pacifico.

Provocando sequias e incendios que afectan bosques en Brasil, indonesia, Colombia, Sudáfrica, etc. En el Perú se manifiesta con una invasión intensa de aguas cálidas que ingresan por el norte de mar peruano, avanzando hacia el sur, en dirección contraria a la corriente peruana. Generalmente a inicios del verano austral.

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

Estos se producen por la diferencia de presión entre las zonas subtropicales de alta presión hacia la zona ecuatorial de baja presión.

Los alisios no llegan perpendiculares del norte y del sur hacia el ecuador, pues debido al movimiento de rotación sufren desviaciones (debido a la fuerza de coriolisis cualquier cuerpo que se desplace horizontalmente sobre la superficie terrestre tiene a desviarse hacia su izquierda en el hemisferio sur y hacia su derecha en el hemisferio norte).

10. se sabe que el sol está constituido por diversos gases, investigue usted como ocurre el transporte de energía a través de él.

Esta región 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.

6. CONCLUSIONES-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 temperatura que para uno de menor masa.

La rapidez de enfriamiento del agua aumenta al agregarle un cubito de hielo ya que al estar a diferente temperatura luego de un tiempo el sistema llegara una nueva temperatura de equilibrio que para el acaso del agua será menor que su temperatura inicial.El agua al calentarse las moléculas que están en el fondo sube y se colocan en la superficie desplazando al agua en la superficie que se encuentra a menor temperatura.El fenómeno de convección permite explicar muchos de los cambios que ocurren en nuestro alrededor.

7. RECOMENDACIONESTener cuidado al realizar el laboratorio para prevenir lesiones o dañar alguno de los instrumentos empleados.

8. BIBLIOGRAFIA

Apuntes de física generalEscrito por José Pedro Agustín Valera Negrete

Astronomía modernaEscrito por L OsterFundamentos de física, Volumen 2 Escrito por Raymond A. Serway,Jerry S. Faughn