CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II – 9° EDICION
DAFI – FCF – UNMSM
CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN
EXPERIENCIA N° 8
Circulación Atmosférica: Estudia el movimiento del aire a gran escala, y el medio por el
cual la energía térmica se distribuye sobre la superficie de la Tierra.
I.
OBJETIVO
•
•
•
II.
Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una
sustancia líquida.
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
EQUIPOS / MATERIALES
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. 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 α m (T − T 0 )
Q = mc ( T − T 0 )
(1)
donde:
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c:
T 0:
T:
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calor específico
temperatura inicial de referencia
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,
H =
(2)
dQ
dT
= mc
=H,
dt
dt
De (1) y (2) se tiene:
luego
dQ
= cte
dt
dT =
H
dt
mc
T
Integrando e iterando se tiene:
T=
t
H
∫T dT = mc ∫0 dt
0
H
t + T0
mc
(3)
La ecuación (3) relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde
H
representa la pendiente y T0 la temperatura inicial.
mc
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 positiva cuando absorbe calor y negativa cuando disipa calor.
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
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(4)
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Caso 2: CONVECCIÓN
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 diferencia de temperatura entre dos puntos, el calor siempre se propaga
de la zona más caliente a la menos caliente.
CONVECCIÓN: 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 frío 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 atmósfera que dan lugar a las
precipitaciones pluviales.
IV. PROCEDIMIENTO
MONTAJE 1. CALOR ABSORBIDO/DISIPADO
1. Monte el equipo, como muestra el
diseño experimental
2. Coloque en el vaso pírex agua a
temperatura del ambiente, casi
hasta la parte superior.
3. Anote el valor de la temperatura y
el volumen del agua.
T0 = …………………
V = …………………
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 cambien las
condiciones de experimentación.
Distancia: …………..
Figura 1. Calor Absorbido / Disipado
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.
EXP. N° 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN
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TABLA 1 (m = ....... g)
t
(min)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
14.5
15.0
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
11.5
12.0
T (ºC)
t
(min)
10.0
10.5
11.0
T (ºC)
t
(min)
12.5
13.0
13.5
14.0
15.5
16.0
16.5
17.0
17.5
T (ºC)
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 = ....... g)
t
(min)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
11.5
12.0
T (ºC)
t
(min)
9.5
10.0
10.5
11.0
T (ºC)
8.
Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos
anteriores. (Use papel milimetrado)
(Pegue aquí)
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9.
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Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados,
considerando la temperatura hasta 750C.
De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa?
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
¿Qué relación hay entre la pendiente del gráfico T = T(t) y la cantidad de calor?
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………..
10. Vierta esta agua caliente en la probeta graduada hasta 200 ml. 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
T (ºC)
t (s)
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 (ºC)
t (s)
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¿En qué instante exacto el cubo de hielo termina de fundirse?
……………………………………………………………………………………………………………………………….
Determine el volumen final del agua.
Vagua ( final ) =
…………….
¿Qué masa tenía el agua originalmente?
magua (original ) =
…………….
¿Qué masa tenía el hielo originalmente?
mhielo (original ) =
…………….
Explique ¿cómo determinó estas masas?
…………………………………………………………………………………………………………………………………
…….…………………………………………………………………………………………………………………………
13. Haga una gráfica de T versus t.
(Pegue aquí)
¿Cómo afectó el cubo de hielo añadido al agua la rapidez de enfriamiento?
………………………………………………………………………………………………………………………………
………..……………………………………………………………………………………………………………………
Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se
fundía.
cagua = 1,00 cal
Q = mc∆T
g ⋅º C
Q perdida (inicial ) = …………………………………. cal
MONTAJE 2. CONVECCIÓN (EN AGUA)
1. En el vaso de precipitados 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. Dibuje, esquemáticamente, en la figura 2, con líneas punteadas como el agua sube y
baja. Explique lo que observa mientras se calienta el agua.
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.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5cm
Figura 2. Se caliente el agua
MONTAJE 3. CONVECCIÓN (EN AIRE)
1.
2.
Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.
Haga un nudo en el 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 la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.
5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones.
……………….…………………………………………………………………………………………….…………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………
¿Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, el giro sería el mismo? ¿Por
qué?
……………….……………………………………………………………….………………….……………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………
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6.
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Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno.
a. ……………….……………………………………………………………………………………………………….
b. …………………………………………………………………………………………………………………………
c. ………………………………………………………………………………………………………………………….
Nota importante
¡Las espirales de papel pueden
arder!
Colóquela al menos 15 cm por
encima del mechero
Mín. 15 cm
Figura 3: Se calienta el aire
EXP N° 8 – CALOR ABSORBIDO /
DISIPADO Y CONVECCIÓN
ALUMNO:
MATRÍCULA:
V.
FECHA:
VºBº del Profesor
EVALUACIÓN
1. Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual
masa, ¿Cómo sería el gráfico? Trácelo y descríbalo.
(Pegue aquí)
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………..
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2. ¿Cuál es la razón de que en este experimento la temperatura no llegue a 100°C?
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
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?
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
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.
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………..……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
5. ¿Qué significado tienen los datos del paso (7)?
……………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………….………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
6. Compare los tamaños de los intervalos de temperatura para las masas m y m/2.
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
7. Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-atmósfera
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………..
8. ¿Qué sucede en nuestro medio durante el fenómeno del Niño?
…………………………………………………………………………………………..………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….
9. ¿Qué son los vientos alisios? ¿Qué fenómenos los producen?
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
10. Se sabe que el Sol está constituido por diversos gases, investigue usted cómo ocurre
el transporte de energía a través de él.
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………
EXP. N° 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN
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VI.
DAFI – FCF – UNMSM
CONCLUSIONES
…………………………………………………………………………………………..……………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………..……………
…………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………..……………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….
.…………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….
VII.
OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES
…………………………………………………………………………………………..……………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………..……………
…………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………..……………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….
.…………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….
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(Desglosar y recortar)
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Figura 4
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Página reversa de la figuras de espirales
(Para desglosar y recortar)
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