CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCION

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. El objetivo de este laboratorio es el de estudiar la Cantidad de Calor que

absorbe un liquido teniendo presente la variación de la temperatura que experimenta durante un intervalo de tiempo, además nos ayudará a como aprender a hacer un estudio comparativo para diferentes masas del liquido.

En la naturaleza el calor es una forma de energía que por lo general pasa desapercibido por los seres humanos, pero gracias al desarrollo del experimento hemos aprendido conceptos importantes sobre este tema, lo cual es el objetivo principal.

II. Equipos/ Materiales

1 Equipo de calentamiento (Mechero Bunsen) 1 soporte Universal 1 Clamp Agua Potable 1 Vaso de precipitado (Graduado de 500cc o

800cc) 1 Vaso de espuma de poliuretano de 200g (8

onzas) aprox 1 Termómetro 1 Agitador Cubos de hielo Papel milimetrado

III. Fundamento Teórico

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

Esto es:

Q α m ( T – T0)

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 un cuerpo, corresponde a que este recibe un flujo calorífico H. Si el flujo es constante,

H = dQdt

= cte

Se tiene: dQdt

= mc dTdt

= H , luego dT = Hmc

dt

Integrando e interando se tiene :

∫T 0

T

dT= Hmc

∫0

t

dt

T = Hmc t + T0

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

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

Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coinciden 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.

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

TABLA 1 (m=800g)

T(⁰C)

21 22 23 24 25 26 27 28 29 31 32 33 34 35 36 38 39 41 42 44 45 46 47

48 50 51 53 54 56 57 59 60 62 63 64 66 67 68 70 71 72 73 74 76 77 79 8082 84 86 88 89 90 92 93 94 95 96

t ( s ) 0 30.00 60.00 90.00 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 0 4 5 0 4 8 0 5 1 0 5 4 0 5 7 0 6 0 0 630 6 6 06 9 0 720 7 5 0 7 8 0 8 1 0 8 4 0 8 7 0 9 0 0 9 3 0 9 6 0 9 9 0 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 13801 4 1 0 1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710

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 2.

TABLA 2 (m/2=400g)

T(⁰C) 27 28 32 36 40 46 50 56 60 65 6872 77 80 84 86 88 90 92 94 95

t(s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300330 360 390 420 450 480 510 540 570 600

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

Grafico de la tabla 1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

500

1000

1500

2000

f(x) = 22.077156612499 x − 403.778567543691

t(s)

t(s)Linear (t(s))

Grafico de la tabla 2

20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100200300400500600700

f(x) = 7.88695826715305 x − 213.027856806242

t(s)

t(s)Linear (t(s))

9. Determine la ecuación de la grafica por el método de mínimos cuadrados considerando la temperatura hasta 75⁰C.

T(t)=m (t) +b

m=n∑ ΔV I ΔT i−¿∑ ΔV i∑ ΔT i

n∑ ΔV i2−¿¿¿¿

¿ b=

∑ ΔV i2∑ ΔT i−¿∑ ΔV i∑ ΔV i ΔT i

n∑ ΔV i2−¿¿¿

¿

De la tabla 1 hasta la temperatura de 76⁰C se obtiene:

n=44, ∑T I t i=1622790,∑T i∑ ti=59087160, ∑T i2=110812, ¿¿,

∑T=2082, ∑ t i=28380

m=44 (1622790 )−5908716044 (110812)−4334724

m=22.76

b=(110812 ) (28380 )−(2082 ) (1622790 )

44 (110812 )−4334724

b=−432.1Siendo su ecuación:

T(t)=22.76(t)-432.1 (⁰C)

De los gráficos ¿cómo identificarías el líquido que tiene mayor masa?Mientras la pendiente sea menor indica menor masa ya que el tiempo para que llegue al punto de ebullición es menor.

¿Qué relación hay entre la pendiente del grafico T=T (t) y la cantidad de calor?A mayor pendiente se necesita mayor cantidad de calor para hacer llegar al agua a su punto de ebullición.

10. Vierta esta agua 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 durante3 minutos. Anote los datos en la tabla 3

TABLA 3

T(⁰C) 87 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75.575 74.5 74 73.5 73 72.5 72

t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 120 130 140 150 160 170

11. Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introdúzcalo 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(⁰C) 68 67 66

t(s) 0 10 20¿En qué instante exacto el cubo de hielo termina de fundirse?Se funde a los 20 s de sumergido.

Determina el volumen final del agua:V agua ( final )=202.704ml

¿Qué masa tenía el agua originalmente? magua (original )=200gr

¿Qué masa tenía el hielo originalmente? mhielo (original )=2.704 gr

Explique cómo determino estas masas: ΔT hielofundido=68 y ΔT agua=2Q para fundir elhielo+Qhielo fundido hastala Te=Qagua hastaTe

mhielo Lfusion+mhielocΔT Hielo fundido (cal)=maguacΔT agua (cal)mhielo∗79.9+mhielo∗1∗68 (cal)=200∗1∗2(cal)

147.9mhielo=400 grmhielo=2.704 gr

Ymagua=V agua∗ρagua=200∗1=200 gr

13. Haga una grafica de T versus t.

65.5 66 66.5 67 67.5 68 68.505

10152025

f(x) = − 10 x + 680

t(s)

t(s)Linear (t(s))

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

Mucho ya que el hielo tiene que absorber calor para fundirse y ese calor sale del agua haciendo bajar la temperatura con relativa rapidez como se aprecia en la tabla 4

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

Q=mcΔT cagua=1.00calg−⁰C

Siendo ΔT agua=2 y ΔT hielo fundido=68Q perdida (inicial )=maguac ΔT agua−mhielofundido c ΔT hielofundido (cal)

Q perdida (incial )=200∗1∗2−2.704∗1∗68(cal)Q perdida ( inicial )=216.128cal

Calcule la cantidad total de calor perdido al enfriarse el agua debido al hielo fundido hasta su temperatura final.Siendo ΔT hielo=68

Qhielo (absorbido )=mc ΔT hielo(cal)Qhielo (absorbido )=2.704∗1∗68calQhielo (absorbido )=183.872cal

V. TAREA

1. Si en el paso 9 en lugar de agua se utiliza otro liquido de mayor calor específico, pero de igual masa, ¿Cómo sería el gráfico? Trácelo y descríbalo.

Cx>Cagua, mx = magua

-Como el flujo H es constante. De la ecuación (3), hallaremos la variación:

∆T = H

magua cagua tagua ∆T =

Hmx c x

tx

tx > tagua

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

- En este experimento hemos usado un vaso precipitado (graduado de 500 cc o 800 cc). Esto indiqua que el vaso va a absorber energía térmica, por eso cuando queremos hervir el agua, esta lo hace mas rápidamente y hierve el agua a una temperatura menor a los 100ºC, aproximadamente 80ºC a 85ºC.

-3. Para el caso de agua, aproximadamente a partir de 75ºC la grafica de

temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal. ¿Por qué?

- Con los valores de la tabla, podemos describir que desde la temperatura ambiente, hasta la temperatura de 75ºC, la variación del tiempo es graduada (aproximadamente cada 30 segundos la variación de la temperatura es de 2ºC), pero a partir de temperatura mayor de 75ºC el tiempo aumenta rápidamente y en la gráfica de temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal y tiende a una exponencial, debido a que los átomos de agua están muy excitados y colisionan muy rápido, por lo cual la temperatura aumenta mas rápido con el paso del tiempo.

4. Indique el tiempo que demoró en recorrer el intervalo 80ºC y 85ºC. Revise el caos registrado entre 50ºC y 55ºC.

5. ¿Qué significado tiene los datos del paso (7)?- En el paso (7) repetimos los mismos pasos del anterior: Hervir el agua a un flujo

constante y medirlo cada 30s desde la temperatura ambiente hasta que hierva. La diferencia es que en el paso (7) la masa es la mitad de la masa del paso anterior. Con esta experiencia hallaremos los valores del tiempo y comprobaremos si la Energía térmica es directamente proporcional a su masa.

Sabemos que: m2 = m12

∆T = H

m1c agua t1 ∆T =

Hm2c x

t2

t2 = t 12

- Lo cual queda demostrado que para el mismo liquido pero con una masa igual a la mitad de la anterior, el tiempo que tarda en hervir es la mitad del tiempo anterior.

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

CONVECCIONLa convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o 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.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).

En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), es el área del cuerpo en contacto con el fluido, es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

I. Objetivo

Investigar el transporte del calor en los fluidos

II. Equipos y Materiales

Soporte universal Pinza universal Vaso de precipitados, 250 ml. 1 nuez doble 1 cuchara con mango de espátula Permanganato de potasio, 25 g. Sedal (hilo de seda) Espiral

III. Fundamento teórico:

La propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en sólidos), convección (en fluidos) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. Si hay diferencias de temperatura entre dos puntos, el calor siempre se propaga de la zona mas caliente a la zona menos caliente.

Convección:

Es la manera más eficiente de propagación de calor, se da en fluidos. Un fluido cálido, por diferencias de densidades, ascienden hacia regiones menos calientes; por compensación un fluido frio desciende a tomar su lugar; si continua 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.

I. Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la fig. 1

II. IV. Procedimiento

Montaje 2

1. En el vaso de precipitado vierta alrededor de 200 ml. De agua.

2. Por el borde de 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.

- El agua al empezar a calentar adquiere un Movimiento cíclico, la llama se colocó al lado Del vaso del precipitado a eso añadimos el Permanganato de potasio lo que colora el aguaY describe la trayectoria del líquido.

5. Dibuje, esquemáticamente, en la fig. 3, con líneas punteadas como el agua sube y baja. Explique lo q observa mientras se calienta el agua.

PROCEDIMIENTO

Montaje 3

6. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.

7. Haga un nudo en el sedal y páselo por un orificio previamente hecho en el centro de la espiral.

8. Encienda el mechero con una llama baja.

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

10. Observe atentamente en fenómeno. Anote sus impresiones

La espiral de papel al ser colocada sobre el mechero encendido, adquiere un movimiento hacia la derecha producto del calor disipado por el fuego.

Observamos 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 puesto que el sentido de la espiral deja que el aire caliente producido por el mechero recorra el borde de ella de otra forma por lo tanto su movimiento seria en otro sentido.

11. Señales tres ejemplos en los que se observa este fenómeno.Cuando el agua hierve se forman burbujas.La transmisión de calor al exterior desde la pared o el tejado de una casa en un día soleado sin viento, la convección en un tanque que contiene un líquido en reposo en el que se encuentra sumergida una bobina de calefacción, el calor transferido desde la superficie de un colector solar en un día en calma.Se sitúa en calentamiento de la superficie terrestre debido a la incidencia de los rayos del sol. Esta, absorbe gran parte de la radiación que procede del sol, lo que provoca que el aire en contacto con esta eleve también su temperatura. En los meses de verano, principalmente, se producen fuertes desequilibrios durante el día, entre el aire que se sitúa en capas bajas, que se calienta, y el circundante en niveles superiores. Esto genera una “burbuja” de aire ascendente y como consecuencia, nubosidad convectiva a partir de una determinada altura.

V. Auto Evaluación

Respecto a los fenómenos realizados en el laboratorio.

1. Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-atmosfera.

La tierra como el mar se calienta al sol, la tierra lo hace más rápidamente que el mar, con lo que cuando miras al mar tienes una masa de agua más fría delante de tus ojos, y una masa terrestre más caliente a tu espalda.

Como consecuencia, el aire tras de ti se calienta por debajo como el de la olla con agua de arriba, se expande y asciende, mientras que el aire frío frente a ti es más denso y tiende a descender. Como consecuencia, el “hueco” dejado a tu espalda por el aire ascendente es rellenado por el aire frío frente a ti, que a su vez es remplazado por el aire que tiene encima, etc. Lo que se forma entonces es una célula de convección, y el aire fresco procedente del mar sopla contra tu cara.

Cuando se hace de noche pasa lo contrario: una vez más, la tierra se enfría más rápidamente que el mar, con lo que el aire sobre el mar está más cálido que en tierra, se expande y eleva, es remplazado por el que hay a tu espalda más frío, etc. Con lo que la brisa viene desde tierra adentro contra tu espalda y hacia el mar.

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

La presencia de temperaturas anormalmente altas en el mar, con invasión de aguas cálidas que avanzan en el sentido contrario a la Corriente Peruana, o sea, de norte a sur.

Alteraciones biológicas en el mar como el "aguaje". El mar se tiñe de rojo por la presencia de anomalías en el plancton, la anchoveta y la sardina se profundizan, y hay mortandad de aves guaneras, que no encuentran alimento cerca de la superficie se produce un incremento de las lluvias en la costa peruana, principalmente al norte, pero que pueden llegar más al sur, según el avance de las aguas cálidas. Estas lluvias originan desastres naturales, como inundaciones, y afectan la infraestructura (vías de comunicación, ciudades, etc.).

Surgen enfermedades como el cólera, que en ocasiones se transforman en epidemias muy difíciles de erradicar.

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

Sistema de vientos relativamente constantes en dirección y velocidad que soplan en ambos hemisferios, desde los 30° de latitud hacia el ecuador con dirección noreste en el hemisferio norte y sureste en el hemisferio sur.

Los vientos alisos se producen debido a esta circulación atmosférica. A esta circulación atmosférica se le llamó célula de Walker.

Cuando aparece la corriente cálida de El Niño se observa que la circulación de la célula de Walker cambia, aparecen bajas presiones en el E del Pacífico, y se divide en dos células diferenciadas en direcciones convergentes en el Centro del Pacífico.

4. Se sabe que el sol esta constituido por diversos gases, investigue usted como 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 energía.

VI. CONCLUSIONES

La convección es una forma de transmisión de calor, que tiene lugar con movimiento de materia.

La convección solo tiene lugar en los fluidos.

VII. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Tener en cuenta una cantidad necesaria de Permanganato de Potasio, en este caso lo indicado por la Profesora para que se pueda apreciar la convección en el vaso precipitado y a través de ello poder tomar todos los datos exactos.