CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓNEXPERIENCIA N°8

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. EQUIPOS/MATERIALES

Calor absorbido-disipado Convección

1 Mechero Bunsen 1Mechero Bunsen1 Soporte Universal 1 Soporte Universal1 Clamp 1 Clamp1 Termómetro 1 Termómetro1 agitador 1 pinza universal1 vaso de precipitado graduado de 500cc 1 vaso de precipitado de 200cc1 vaso precipitado 200cc 1 cuchara de mango (espátula)Papel milimetrado permanganato de potasioPapel toalla espiral de papel preparado

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=mc (T−T0 )

Donde:

C: calor especifico

T0: temperatura inicial de referencia

T: temperatura final

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

Si el flujo es constante,

H=dQdt

=cte (1)

De (1) y (2) se tiene:

dQdt

=mc dTdt

=H

Luego

dT= Hmcdt

Integrando e iterando se tiene:

∫T 0

T

dT= Hmc∫0

t

dt

T= Hmct+T 0 (3)

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

Si 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 positivo cuando absorbe calor y negativo cuando disipa calor.

La energía 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 químicos térmicos). Se le conoce como la primera ley de la termodinámica y se expresa como:

dU=dQ−PdV (4)

CASO 2: CONVECCION

CONVECCION: 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 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 que dan lugar a las precipitaciones pluviales.

PROCEDIMIENTO

MONTAJE 1. CALOR ABOSRBIDO/DISIPADO

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

2. Coloque en el vaso pirex agua a temperatura del ambiente, casi hasta la parte superior.

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

To= 21.5 °C

V= 404.04 ml

4. Encienda el mechero. Busque un flujo aproximadamente constante. La llama no debe ser muy fuerte ni estar muy cerca al vaso.

5. Mida la distancia entre la llama y el vaso. Mantenga fija esta distancia durante toda la práctica a fin de que no cambie las condiciones de experimentación.

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

Tabla 1 (m=400 g)

T (°C) 21.5 22 24.5 27 29 31 33 35.5 38 41 44.5

46.5 50 53.5 58 61 65 68 71.5 74.5 77.5 80 83

85.5 88 90 92 94.5 96.5 98 99.5

t (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660

690 720 750 780 810 840 870 900

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

Tabla 2 (m/2=200 g)

T (°C) 22.5 23 29.5 33 39 45.5 52 58.5 64 69.5 75

80 85 89.5 93.5 97 99 99.5 99.8 100

t (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

330 360 390 420 450 480 510 540 570

8. Grafique la variación de temperatura T vs el tiempo t, para los dos casos anteriores.

Para la masa de 400 g

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

20

40

60

80

100

120

t(s)

T(°C

)

Para la masa de 200 g

0 100 200 300 400 500 6000

20

40

60

80

100

120

t (s)

T (°C

)

9. Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75°C.

CALCULOS PARA TABLA 1

X Y XY X^20 21.50 0 0

30 22.00 660 90060 24.50 1470 360090 27.00 2430 8100

120 29.00 3480 14400150 31.00 4650 22500180 33.00 5940 32400210 33.50 7035 44100240 38.00 9120 57600270 41.00 11070 72900300 44.50 13350 90000330 46.50 15345 108900360 50.00 18000 129600390 53.50 20865 152100420 58.00 24360 176400450 61.00 27450 202500480 65.00 31200 230400510 68.00 34680 260100540 71.50 38610 291600570 74.50 42465 324900600 77.50 46500 360000

6300 970.5 358680 2583000 n=21

m=n∑ xy−∑ x∑ y

n∑ x2−(∑ x )2

m=0.09745

b=∑ x2∑ y−∑ x∑ xy

n∑ x2− (∑ x )2

b=16.98052

CALCULOS PARA TABLA 2

X Y XY X^20 22.50 0 0

30 23.00 690 90060 29.50 1770 360090 33.00 2970 8100

120 39.00 4680 14400150 45.50 6825 22500180 52.00 9360 32400210 58.50 12285 44100240 64.00 15360 57600270 69.50 18765 72900300 75.00 22500 90000

1650 511.50 95205 346500

m=n∑ xy−∑ x∑ y

n∑ x2−(∑ x )2

m=0.20793 ºCseg

b=∑ x2∑ y−∑ x∑ xy

n∑ x2− (∑ x )2

b=14.03448 ºC

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

Se observa que el líquido que tiene mayor masa (400g) se demora en ganar energía, por lo que su pendiente es menor que el líquido que tiene menor masa (200g).

¿Qué relación hay entre la pendiente del grafico T=T(t) y la cantidad de calor?

La relación seria directamente proporcional, ya que al aumentar la cantidad de calor la temperatura se incrementa.

10. Vierta esta 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 10 s durante 3 minutos. Anote los datos en la tabla 3.

Tabla 3

11. Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introduzca en el agua.

12. Continúe tomando la temperatura cada 10 s, 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) 65 64.9 64.7 64.3 64 63.8 63.5 63.3 63 62.8 62.5

62.2 62 61.8 61.6 61.4 61.2 61 60.7

t (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110 120 130 140 150 160 170 180

T (°C) 72 71 70.5 70.3 70.1 70 69.9 69.5 69.2 69 68.8

68.5 68.3 68 67.9 67.7 67.4 67 66.8

¿En qué instante el cubo de hielo termina de fundirse?

A la temperatura 64.7 °C y tiempo 20 s.

13. Haga una gráfica de T vs t.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20058

59

60

61

62

63

64

65

66

f(x) = − 0.0243543859649123 x + 65.0192631578947R² = 0.996363043380251

t (s)

T (°C

)

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

Cuando el cubo de hielo se pone al contacto con el líquido provoca un intercambio de calor, debido a esto el líquido pierde energía y ocurre un descenso de su temperatura.

t (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110 120 130 140 150 160 170 180

MONTAJE 2: CONVECCION (EN AGUA)

1. En el vaso de precipitado vierta alrededor de 200 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.

5. El agua al empezar a calentar adquiere un movimiento cíclico, al agregarle permanganato de potasio KMnO4 la solución pasó a color morado y podemos ver que la solución gira en sentido anti horario formando casi un círculo.

6. Dibuje, esquemáticamente, en la fig. 2, con líneas punteadas como el agua sube y baja. Explique lo q observa mientras se calienta el agua.

Cuando recién comienza a calentar el agua, podemos ver como las líneas van ascendiendo. Mientras más se calienta el agua, esta se vuelve menos densa y se empieza a elevar hasta el punto en el que se enfría de nuevo y ahí entonces desciende; para luego calentarse de nuevo y volver a ascender; esto es todo un ciclo. Notamos que mientras el agua se está calentado empieza a circular por el vaso de forma

espiralada asciende y avanza en dirección a la fuente de calor, es decir, se aleja de la llama y luego desciende y se acerca a la fuente de calor.

MONTAJE 3: CONVECCION (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.

3. Encienda el mechero con una llama baja.

4. Cuelgue la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.

5. Observe atentamente en fenómeno. Anote sus impresiones.

Al cortar el papel, lo colgarlo y colocar el mechero a cierta distancia, vemos como dicho papel comienza a girar en sentido horario hasta cierto punto y de ahí cuando comenzamos alejar el mechero comienza a regresar a su estado inicial.

Podemos ver que la espiral horaria gira en sentido horario y que la espiral anti horaria gira en sentido anti horario.

¿Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, el giro seria el mismo? ¿Por qué?

No, porque el sentido de la espiral permite que el aire caliente producido por el mechero recorra el borde de ella de otra forma, por tanto su movimiento seria en otro sentido.

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

Al trasegar el fluido por medio de bombas.

Al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejo la caliente.

El secador de manos o de pelo transmiten el calor por convección forzada.

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EVALUACIÓN

1. Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa, ¿cómo sería el gráfico?

Si tiene mayor calor específico, necesitara mayor cantidad de calor para cambiar su temperatura en 1°C, por lo tanto necesitara mayor tiempo de calentamiento. Si los intervalos de tiempos son iguales a las del agua (30 s), el termómetro registrará un cambio de temperatura menor a la del agua en ese intervalo de tiempo.

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Gráfica T° vs tiempo en el agua

T (°C)

t (s)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Gráfica T° vs tiempo en el amoniaco líquido que es una sustancia con mayor calor específico que el agua.

Para un mismo intervalo de tiempo que en el agua, la temperatura varía en un intervalo más pequeño, de -67°C a -36°C.

2. ¿Cuál es la razón de que en este experimento la temperatura no llegue a 100°C?

Que 100°C es el punto de ebullición del agua, por lo que sus moléculas actuarán de manera diferente y su calor específico variará. El calor específico del agua líquida es 1cal / g °C y del vapor de agua es  0,482 cal/ g °C.

3. Para el caso del agua, aproximadamente a partir de 75°C la gráfica de temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal. ¿Por qué?

A partir de 75°C la gráfica deja de tener comportamiento lineal ya que el calor específico empieza a varia debido a que nos acercamos a la temperatura de ebullición y las moléculas de agua colisionan más rápido por la energía cinética que han acumulado con el paso del tiempo a estas temperaturas.

T (°C)

t (s)

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

Interpolando para 85°C nos da un tiempo de 684 s. El tiempo que demoro en recorrer este intervalo de temperatura es de 54 segundos.

Interpolando para 55°C el tiempo es 400 s. El tiempo que demoro en recorrer este intervalo de tiempo es de 40 segundos.

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

Comprobar qué es lo que sucede al reducir la masa a la mitad. Según la fórmula veamos que sucede:

Tenemos:

∆T= Hm∗c

∗t

Reducimos la masa a la mitad:

Tiempo (s)

Temperatura (°C)

360 50390 53.5420 58

Tiempo (s)

Temperatura (°C)

630 80660 83 690 85.5

Hm2∗c

∗t= 2Hm∗c

∗t=2∆T

Por esto deducimos que la variación de temperatura se duplica si la masa se reduce a la mitad.

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

Tomaremos intervalos de 150 segundos:

Para masa de 400 g

∆T=9.5°C

∆T=13.5 °C

∆T=16.5 °C

Para masa de 200 g

∆T=22 °C

T (°C) t (s)21.5 031 150

T (°C) t (s)31 150

44.5 300

T (°C) t (s) 44.5 300

61 450

T (°C) t (s)22.5 045.5 150

∆T=29.5 °C

∆T=22 °C

7. Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-atmósfera.

Cualquier persona que se haya embarcado o se quede en la costa y observe una tormenta en el mar, conoce bien algunas de las consecuencias de la interacción entre la atmósfera y el océano. Sabe que hasta los buques más grandes pueden balancearse y cabecear haciendo que la tripulación la pase mal, y que las embarcaciones menores pueden quedar destruidas en un instante, o que las fuerzas del mar llegan a causar grandes catástrofes en los poblados de la costa y, algunas veces, ocasionan destrucción a muchos kilómetros dentro de ella.

Toda esta energía que el agua del mar produce cuando el viento sopla sobre su superficie, también hace que se desgaste la costa y llenen con limo las caletas y las bahías. Asimismo impulsa las grandes corrientes oceánicas, como la Corriente del Golfo de México, la de Kuro-Shivo y la del Perú, y produce los movimientos de las masas de agua en el seno del océano.

Otra de las consecuencias de gran importancia de la interacción del mar con el viento es que el agua necesaria para mantener la vida en el planeta circula constantemente gracias a la acción de este viento.Durante los últimos 30 años se han logrado grandes adelantos en la comprensión de la relación entre la atmósfera y los océanos; a esto colaboran tres avances técnicos: el desarrollo de nuevos instrumentos de observación, por ejemplo, el satélite meteorológico, que ha revolucionado por completo las oportunidades de observar la atmósfera y averiguar qué es lo que está sucediendo en todo momento; la implantación de nuevas técnicas experimentales que permiten simular la atmósfera con fluidos giratorios y estratificados, y reproducir en el laboratorio la dinámica de fenómenos como la nubosidad, y el uso de las computadoras de gran velocidad, que permiten hacer pronósticos utilizando modelos matemáticos en lugar de la intuición.

T (°C) t (s)45.5 15075 300

T (°C) t (s)75 30097 450

Además, cada vez se establecen nuevas estaciones de investigación tanto en tierra como en el mar, para observar la relación atmósfera-océano. Existen varias plataformas de observación meteorológica colocadas en el océano y muchos barcos de investigación oceanográfica se encuentran haciendo innumerables estudios sobre esta acción. La meteorología marina es la rama de la oceanografía física que se encarga del estudio de la interacción de los océanos con la atmósfera y del comportamiento diario de ésta en las regiones marítimas.

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

El fenómeno se inicia en el Océano Pacífico tropical, cerca de Australia e Indonesia, alterándose con ello la presión atmosférica en zonas muy distantes entre sí, hay cambios en la dirección y en la velocidad de los vientos, así como el desplazamiento de las zonas de lluvia a la región tropical.

En condiciones normales, también llamadas condiciones No-Niño, los vientos Alisios (que soplan de este a oeste) apilan una gran cantidad de agua y calor en la parte occidental de este océano. El nivel superficial del mar es, en consecuencia, aproximadamente medio metro más alto en Indonesia que frente a las costas del Perú y Ecuador. Además, la diferencia en la temperatura superficial del mar es de alrededor de 8ºC entre ambas zonas del Pacífico.

Las temperaturas frías se presentan en América del Sur por que suben las aguas profundas y producen agua rica en nutrientes que mantiene el ecosistema marino. En condiciones No-Niño las zonas relativamente húmedas y lluviosas se localizan al sureste asiático, mientras que en América del Sur es relativamente seco.

En cambio durante el fenómeno de El Niño los vientos alisios se debilitan o dejan de soplar, la máxima temperatura marina se desplaza hacia la Corriente de Perú que es relativamente fría y la mínima temperatura marina se desplaza hacia el Sureste Asiático. Esto provoca el aumento de la presión atmosférica en el sureste asiático y la disminución en América del Sur. Todo este cambio ocurre en un intervalo de seis meses, aproximadamente desde junio a noviembre.

Consecuencias del fenómeno del niño a nivel global

Cambio de la circulación atmosférica. Calentamiento global del planeta y aumento en la temperatura de las aguas

costeras durante las últimas décadas. Existen especies que no sobreviven al cambio de temperatura y mueren,

generando pérdida económica en actividades primarias Surgen enfermedades como el cólera, que en ocasiones se trasforman en

epidemias muy difíciles de erradicar.

Consecuencias del fenómeno del niño para América del Sur

Lluvias intensas. Calentamiento de la Corriente de Humboldt o Corriente del Perú. Pérdidas pesqueras. Intensa formación de nubes. Periodos muy húmedos. Baja presión atmosférica.

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

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 noreste al suroeste en el hemisferio norte y del sureste hacia el noroeste en el hemisferio sur. Las épocas en las que los alisios soplaban con menor intensidad constituían un peligro para los primeros viajes veleros hacia el continente americano formándose épocas de calma del viento que impedían avanzar a los veleros.

En el Ecuador se produce un ascenso masivo de aire cálido, originando, una zona de bajas presiones que viene a ser ocupada por otra masa de aire que proporcionan los alisios. Las masas de aire caliente que ascienden, se van enfriando paulatinamente y se dirigen a bastante altura en sentido contrario a los alisios, hacia las latitudes subtropicales, de donde proceden éstos. Los vientos alisios forman parte de la circulación de Hadley que transporta el calor desde las zonas ecuatoriales hasta las subtropicales reemplazando el aire caliente por aire más frío de las latitudes superiores. Como ya se ha dicho, la rotación terrestre es la que produce la desviación hacia el oeste de estos vientos, desviación que se conoce como la fuerza o efecto de Coriolis, cuyo nombre procede de Gaspard Coriolis, un científico francés que describió los mecanismos de este proceso y finalmente los vientos alisios soplan de alta baja presión.

.

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

El sol aporta energía exclusivamente por radiación. Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energí

BIBLIOGRAFIA

A. LIBROS:

Física general con experimentos sencillos. Beatriz Alvarenga, AntonioMáximo. Editorial Harla, México. 1979, 1980, 1981

Física Vol. I. La naturaleza de las cosas. Susan M. Lea, John RobertBurke. Editorial international Thomson, Mexico.1999.

Física Fundamental 1. Michael Valero. Editorial Norma, Colombia. 1996.

B. WEB:

tecnologiafuentenueva.wikispaces.com/file/view/etermica.pdf

es. wikipedia .org/ wiki / Calor