Instituto Tecnológico de Mexicali

Ingeniería Química

Materia:

Laboratorio Integral I

Tema:

Práctica

Demostración visual del movimiento convectivo

Integrantes:

Nombre del profesor

Norman Edilberto Rivera Pazos

Mexicali, B.C. a 20 de abril de 2015

Aranda Sierra Claudia Janette

Castillo Tapia Lucero Abigail

Cruz Victorio Alejandro Joshua

De La Rocha León Ana Paulina

Guillén Carvajal Karen Michelle

Lozoya Chávez Fernanda Viridiana

Rubio Martínez José Luis

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Índice

Práctica

Título: “Demostración visual del movimiento convectivo”

Objetivo 2

Introducción 2

Marco teórico 3

Movimiento convectivo 3

Corrientes de convección 3

Importancia del movimiento convectivo 4

Ejemplo de movimiento convectivo 4

Material, equipo y reactivos 4

Procedimiento 5

Análisis 6

Observaciones 8

Evidencias 8

Bibliografía 9

2

Práctica XII

Título:

“Demostración visual del movimiento convectivo”

Objetivo:

Demostrar experimentalmente como es el movimiento de convección en dos distintas

sustancias, con el fin de observar y capturar la forma de dicho movimiento.

Objetivos específicos:

Visualizar el movimiento convectivo en agua, utilizando pequeños pedazos de papel.

Observar el movimiento de convección en agua-tinta caliente cuando se pone en contacto

con agua a temperatura ambiente.

Demostrar el movimiento convectivo que se presenta en el aceite cuando está expuesto a

una fuente de calor.

Introducción

La transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida denominada como

convección, es una de las técnicas implementadas en la naturaleza para el transporte de

energía como el movimiento de la energía del manto de la tierra y las brisas marinas. El

hombre, ha aprendido que este mecanismo es uno de los más eficientes a la hora de la

transferencia de calor, por lo cual ciertas maquinarias y equipos trabajan bajo este principio,

como lo son los aparatos de calefacción, solo por mencionar algunos.

La convección es un mecanismo por el cual la transferencia de calor se lleva a cabo por el

movimiento de un fluido y se debe a que distintas partes del fluido tienen distintas densidades

debido a los cambios de temperatura, y esto provoca movimiento dentro del medio. 

La convección también puede originar la circulación de un líquido, el cual es fácil de visualizar

en el calentamiento de una olla de agua sobre una llama, esto nos permite observar la forma de

este movimiento el cual se denomina como corrientes de convección y en las cuales se

observan que tienden a un movimiento cíclico tanto en los líquidos como en los gases, lo que

permite explicar una gran cantidad de procesos naturales donde está involucrada la convección.

Marco teórico

2

Movimiento convectivo

La convección es el mecanismo que se produce en los fluidos cuando el calor es transportado

desde zonas de mayor temperatura a otras con temperatura menor, debido a los cambios en la

densidad de los materiales. Por ejemplo, cuando se pone a calentar un recipiente con agua,

esta comienza a calentarse por la parte inferior y se dilata, con lo que disminuye la densidad. El

agua caliente, asciende y transporta, así, calor de la parte inferior

a la superior. El agua de la parte superior, que está más fría, es

más densa, por eso desciende. Con ambos movimientos se forma

un patrón de circulación, aunque no tan regular como se muestra

en la figura 1, pero siguiendo esa tendencia. En la convección

tiene lugar un movimiento real de la materia a causa de la

diferencia de densidad existente entre el fluido que está a mas

temperatura (menos denso) y el que está a menos temperatura

(más denso). Estas corrientes de fluidos se llaman corrientes de

convección.

Corrientes de convección

Las corrientes de convección se deben al movimiento de partículas con carga

positiva o negativa en el vacío, en un gas enrarecido o en el aire. Como ejemplo conocido

tenemos los haces de electrones en un tubo de rayos catódicos y las descargas atmosféricas.

No están regidas por la ley de Ohm.  Cuando el calor se transmite por medio de un movimiento

real de la materia que forma el sistema se dice que hay una propagación de calor por

convección. Un ejemplo son: Los radiadores de agua caliente y las estufas de aire.

La transferencia de calor por corrientes de convección en un líquido o en un gas, está asociada

con cambios de presión, debidos comúnmente a cambios locales de densidad. Un aumento de

temperatura en un fluido va acompañado por un descenso de su densidad. Si aplicamos calor

en la base de un recipiente, el fluido, menos denso en esta parte debido al calentamiento, será

continuamente desplazado por el fluido más denso de la parte superior. Este movimiento que

acompaña a la transmisión del calor se denomina convección libre. 

Algunas veces las diferencias de presión se producen mecánicamente mediante una bomba o

un ventilador; en tal caso, se dice que la conducción del calor ocurre por convección forzada.

En ambos casos, el calor pasa hacia dentro o fuera de la corriente a lo largo del recorrido.

Importancia del movimiento convectivo

Fig. 1 Ejemplo de movimiento convectivo

2

El método de las corrientes de convección es uno de los más eficaces de transferencia de calor

y debe tenerse en cuenta cuando se diseñe o construya un sistema de aislamiento. Si se dejan

en una casa grandes espacios sin paredes, se forman muy fácilmente corrientes de convección,

produciéndose pérdidas de calor. Sin embargo, si los espacios se rompen en pequeños

recintos, no son posibles las corrientes de convección y las pérdidas de calor por este método

son muy pequeñas. Por esta razón, los materiales aislantes usados en las paredes de

refrigeradores o en las de las casas son porosos: viruta de corcho, corcho prensado, lana de

vidrio u otros materiales similares. Estos, no solamente son malos conductores por sí mismos,

sino que dejan además pequeños espacios de aire, que son muy malos conductores y, al

mismo tiempo, lo suficientemente pequeños para que no se produzcan corrientes de

convección

Ejemplo de corriente de convección

Las brisas marinas son corrientes de convección

provocadas por la diferencia de temperatura entre el

mar y la tierra.

 

Durante el día, la tierra se calienta más deprisa que el

mar, por lo cual la temperatura es más alta en la tierra.

El aire que esta sobre la tierra, se calienta y asciende,

el vacío que deja es substituido por el aire menos

caliente procedente de la mar. De esta manera se

produce la brisa marina.

 Cuando se pone el Sol, la tierra se enfría antes. En consecuencia, el aire que está encima del

mar está más caliente, por lo que asciende, y ahora, el aire frío situado encima de la tierra el

que se desplaza hasta ocupar el lugar del aire caliente. Por ello se produce una brisa que se

dirige desde la tierra hacia el mar.

Material, equipo y reactivos

Demostración Material y equipo Reactivo

1 1 Vaso de ppt 500 ml Agua

1 TermómetroPapel

(trozos)12

ParrillaGuantes

1 Perforadora

Fig. 2 Ilustración de convección en brisas marinas

2

2 2 Vaso de ppt 250ml y 4000 ml Agua1 Termómetro Tinta china1 Parilla1 Matraz Erlenmeyer 250 ml1 Tapón con dos tubos1 Agitador de vidrio2 Guantes

3 2 Vaso de ppt 25 ml y 500 ml Aceite1 Termómetro Agua fría1 Parrilla Tinta china2 Guantes1 Gotero

Procedimiento:

a) Agua-Papel

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Colocar 250 ml en un vaso de precipitado de 500 ml.

3. Obtener pedazos de papel con la perforadora. Los suficientes que se crean

necesarios.

4. Colocar los pedazos de papel en el vaso de precipitado.

5. Prender la parrilla.

6. Colocar el vaso de precipitado en la parrilla y cuidar que la temperatura no sea mayor

a 90℃ con el termómetro.

7. Observar y capturar el movimiento de los pedazos de papel en el agua.

b) (Agua-tinta)-Agua

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Colocar en el matraz de Erlenmeyer el tapón y hacer una marca al nivel de

profundidad.

3. Llenar agua en el vaso de precipitado de 4000 ml

4. Colocar agua en el vaso de precipitado de 250 ml, después agregar tinta china hasta

que este uniforme el color, esto se logra agitándolo con el agitador de vidrio.

5. Colocar la mezcla en el matraz de Erlenmeyer hasta llegar a la marca colocada.

Nota: si no alcanza con la cantidad en el paso 4, entonces repetir dicho paso hasta

cumplirse.

6. Prender la parrilla.

8. Colocar el matraz en la parrilla y calentar la mezcla cuidando que la temperatura no

sea mayor a 90℃ con el termómetro.

2

7. Al llegar una temperatura cercana a 90℃, colocar el tapón en el matraz.

8. Tomar el matraz y sumergirlo en el vaso de precipitado de 4000 ml.

9. Observar y capturar el movimiento de la mezcla y del agua.

10. Lavar y secar el material.

c) Aceite-(Agua-tinta)

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Colocar 250 ml de aceite en el vaso de 500 ml.

3. Poner agua con tinta en el vaso de precipitado, agitar hasta que este homogéneo.

4. Prender la plancha.

5. Poner sobre la plancha el vaso de precipitado con el aceite y calentar cuidando que

la temperatura no sea mayor a 75℃ con el termómetro.

6. Colocar varias gotas de la mezcla agua-tinta en el aceite.

7. Observar y capturar el movimiento de la mezcla y del aceite.

8. Lavar y secar el material.

Análisis

Agua-Papel

En el primer experimento, el papel modela el movimiento del agua producido por la

transferencia de calor por convección. Las capas inferiores de agua al estar en contacto con la

parrilla se calientan provocando que su volumen aumente y por lo tanto su densidad disminuya,

provocándose el movimiento ascendente de dichas capas de agua. Mientras que las capas

superiores que están más frías y densas comenzaran a moverse al fondo del vaso de

precipitado. Es por ello que se pudo observar que los papeles subían y bajaban en el líquido en

cierta forma (circular) que es característica del movimiento de convección.

En un principio solo teníamos calentándose un pequeño vaso de precipitado con agua con el fin

de medir la temperatura a la que estaba llegando la parrilla, pero al ver que este estaba

llegando a 95℃ decidimos introducirle un pedazo de papel, el cual comenzó a moverse en

forma circular. Al poner más de dichos papeles, estos seguían el movimiento del primero que

observamos. Cuando esto se hizo a gran escala (en el vaso correspondiente en el

experimento), se habían colocado demasiados papeles y estos se acumulaban en la superficie,

por lo que decidimos retirar cierta cantidad y después de unos momentos se observó el mismo

movimiento circular (de dos círculos, aunque más notorio uno ya que estaba en la región más

caliente).

2

Agua-(Agua-tinta)

Decir que es movimiento convectivo cuando el nivel dentro del matraz se mantiene igual. Este

movimiento se debe a un desequilibrio térmico en el interior del agua-tinta. Ya que

inmediatamente cuando el matraz caliente se pone en contacto con el agua a una temperatura

menor comienza a observarse el movimiento de convección. En este caso el agua caliente sale

del matraz a través del tubo más delgado, mientras el agua a temperatura ambiente entra por el

tubo más ancho dirigiéndose hacia el fondo del matraz. El ciclo de convección es completo

comprobándose que no disminuye el nivel del agua contenido dentro del matraz.

Algo que ocurrió y que no esperábamos fue que al calentar el agua-tinta, esta última comenzara

a separarse, como si ya no fuera tan soluble en agua caliente. Investigando, nos encontramos

que si existen sustancias que tienen una buena solubilidad cuando es a bajas temperaturas,

mientras que al aumentar la temperatura el compuesto se disocia y disminuye la solubilidad

mutua. Gracias a este fenómeno pudimos observar por partida doble el fenómeno del

movimiento convectivo, ya que como ya se dijo antes, el nivel en el matraz no disminuye y

también porque las partículas de la tinta se movían de los lados hacia el centro en movimientos

circulares.

Aceite-(Agua-tinta)

En el aceite ocurre lo mismo que en los dos anteriores, al ver un calentamiento en la parte

inferior, las partículas comienzan a moverse tratando de llegar a las capas superiores donde el

aceite está más frio, mientras el aceite frio (en la superficie) comienza a descender. Esto ocurre

ligado también a que las partículas de aceite en el fondo se vuelven menos densas y comienza

a ascender, por lo que al hacer eso, dichas partículas de aceite hacen que se muevan algunas

gotas de agua-tinta observándose la mitad del movimiento convectivo, ya que se completa

porque las partículas superiores al ser momentáneamente más densas que las de las capas

inferiores, estas comienzan a descender, lo que hace que algunas o más mismas gotas de

agua-tinta que subieron vuelvan a bajar.

Esto mencionado anteriormente casi no se notó, ya que era necesario o calentar demasiado el

aceite o solo calentar en un punto. Si hubo movimiento pero no lo suficiente como para

observar completamente el movimiento convectivo completo.

Modelaje del movimiento:

En los tres experimentos se observó este movimiento:

2

Observaciones

Cuidar la temperatura en cada experimento.

Tener mayor atención en el aceite, ya que en este experimento, las burbujas de agua

ebullian haciendo una pequeña explosión.

No poner muchos pedazos de papel.

Evidencias

Movimiento circular (convectivo)

2

Bibliografías

Fuentes de libros

Moran J. (1999). “Fundamentos de Termodinámica Técnica”. 1ra edición. Ed. Reverte.

Haywood, R. (2000). “Ciclos termodinámicos de potencia y refrigeración” 1ra edición. Ed.

Limusa.

Mismo nivel

Movimiento de la tinta (forma circular, de las orillas hacia el centro)

2

Fuentes electrónicas

http://usuario.cicese.mx/~sreyes/LIBRO%20METEOROLOGIA/Meteo6.pdf

http://fisica.unav.es/publicaciones/Tesis/Burguete.pdf