Informe Laboratorio 8 Fisica II UNMSM

7/25/2019 Informe Laboratorio 8 Fisica II UNMSM

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OBJETIVOS

Investigar el comportamiento de la energa trmica

absorbida/disipada por una sustancia lquida.

Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor

absorbida/disipada para diferentes proporciones del lquido.

Investigar cmo se transporta el calor en los uidos.

MATERIALES / EQUIPOS

CALOR

ABSORVIDO/DISIPADO

1 Mechero bunsen

1 oporte !niversal

1 "lamp

1 #ermmetro

1 $gitador

1 %aso de precipitado de &'' ml

1 vaso de precipitado de ('' ml

)apel milimetrado

)apel #oalla

CONVECCIN


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

1 Mechero bunsen

1 oporte !niversal

1 )in6a universal

1 %aso de precipitado de ('' ml

1 "uchara de mango

)ermanganato de potasio

spiral de papel preparado

FUNDAMENTO TERICO

CALOR

l calor se de7ne como la transferencia de energa trmica que se daentre diferentes cuerpos o diferentes 6onas de un mismo cuerpo quese encuentran a distintas temperaturas8 sin embargo entermodin9mica generalmente el trmino calor signi7ca transferenciade energa. ste u:o de energa siempre ocurre desde el cuerpo dema;or temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura8

ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentrenen equilibrio trmico .

CALOR ABSORBIDO Y CALOR DISIPADO

a energa trmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es

directamente proporcional a su variacin de temperatura=

Qm(TTo)

Q=Cem(TTo)

3onde=

"e = "alor espec7co

#' = #emperatura Inicial de referencia

!++I 1


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

# = #emperatura +inal

l suministro de energa trmica por unidad de tiempo a un cuerpo8

corresponde a que ste recibe un u:o calor7co H.

i el u:o es constante8

H=dQ

dt=cte

3e 1 ; ( se tiene=

H=dQ

dt=mc

dT

dt

uego

dT=H

mcdt

Integrando e iterando se tiene

To

T

dT=0

tH

mc

dtT=H

mc

t+T0(3)

a ecuacin ? obtenida relaciona la temperatura con el tiempo. suna funcin lineal8 donde H/mc representa la pendiente ; #' latemperatura inicial.

i el cuerpo se encuentra en su sistema adiab9tico8 el traba:o dedilatacin se reali6a a e@pensas de la energa interna.

o in embargo8 la variacin de la energa en el interior del cuerpoen un proceso no coincide con el traba:o reali6adoA la energaadquirida de esta manera se denomina cantidad de calor8 espositiva cuando absorbe calor ; negativa cuando disipa calor

o a energa interna del cuerpo aumenta a costa de la cantidadde calor adquirida dq8 ; disminu;e a costa del traba:o reali6adopor el cuerpo dB . e le conoce como la primera le; de latermodin9mica8 ; se e@presa como=

!++I (


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

dU=dQPdV

FORMAS DE PROPAGACIN DE CALOR

a propagacin del calor es el proceso mediante el cual seintercambia energa en forma de calor entre distintos cuerpos8 o entrediferentes partes de un mismo cuerpo que tienen diferentetemperatura.@isten tres formas de propagacin del calor que sonpor= conduccin8 conveccin ; radiacin ; que a veces puedeproducirse en forma combinada.

- Conduccinsta forma de propagacin se da en los slidos8 cuando se aplicacalor a un ob:eto slido8 la 6ona donde absorbe calor se calienta ;sus partculas adquieren ma;or movilidad que el resto del cuerpo; cada partcula transmite el calor a las partculas vecinas8 con elcual el calor acaba por propagarse por todo el ob:eto.

:emplos=o !tensilios met9licos para

cocinar8 como por e:emplo una olla de acero. sta recibe elcalor en la base ; luego se propaga por toda la olla. s por elloque las asas tienen que ser de un material aislante comomadera o pl9stico8 para no sufrir quemaduras.

o #enemos un vaso de leche que est9 mu; caliente. n su interiorse introduce una cuchara. $l pasar un rato8 si se toca lacuchara que se encuentra en su interior8 se nota que se va

calentando cada ve6 m9s. sta transferencia de calor se haproducido desde una sustancia8 que es la leche8 hasta uncuerpo8 que es la cuchara.

- Conveccina propagacin del calor por conveccin se da en los lquidos ; enlos gases. s decir cuando calentamos un lquido o un gas en unrecipiente8 las primeras partculas en calentarse son las del fondo8por la que parte del lquido o del gas del fondo se dilata ;disminu;e su densidad ; al ocurrir esto esta parte del lquido o gas

asciende por el recipiente ; la parte del lquido o gas que estabaencima ba:a para ocupar el espacio de:ado8 origin9ndose las

!++I ?


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

llamadas corrientes de conveccin que vancalentando todas las sustancias delrecipiente.:emplos=o l aire por conveccin origina los

vientos.o i se coloca una espiral de cartulina8 en

un soporte universal ; se sopla desdeaba:o hacia arriba se puede apreciarcmo esta comien6a a girar alrededordel punto donde se apo;a. #ambin si se coloca una velaencendida o cualquier otra fuente de calor deba:o del espiral8esta gira porque el aire que se calienta8 asciende ; esto sedemuestra porque se pone en movimiento la espiral8 igual quecuando se soplaba desde aba:o hacia arriba. )or tanto8 se

producen corrientes de aire caliente que suben ; de aire froque ba:a.

- Radiacina radiacin es la propagacin del calor que tiene lugar sin elapo;o del ningCn medio material.

:emplos=o os radiadoreso as aguas del mar reciben la radiacin

del sol por eso logran evaporarse.o os panaderos8 cuando van a sacar el

pan del horno8 est9n recibiendo el calorprocedente de este8 por radiacin.

PARTE EXPERIMENTAL

MONTAJE 1 CALOR ABSORVIDO / DISIPADO

PASO 1:D Montamos el siguiente equipo para reali6ar el e@perimento.

!++I E


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

PASO 2:

D "olocamos E''g de agua en el vaso

pre@ a temperatura del ambiente.

PASO 3:

D ncienda el mechero.

D Mantener la llama constate durante toda la e@periencia.

PASO 4:

D $gitar el agua previamente ; leer la temperatura cada ?'

segundos hasta llegar al punto de ebullicinD e anotaron los datos en la #abla '1

TABLA 01 (mH2O= 400!

#emperatura Inicial F (E""(min T(#C! "(min T(#C! "(min T(#C! "(min T(#C!

!++I &


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

! ! ! !'.& (&.& G.' &E 11.& G.& 1.' 0.&1.' (0 G.& &G.& 1(.' 0 1.& '1.& ?' .' &0.& 1(.& 0' 10.' '.&(.' ?( .& G1 1?.' 01.& 10.& 1

(.& ?& 0.' G? 1?.& 0(.& 1.' 1.&?.' ?0 0.& G&.& 1E.' 0?.& 1.& (?.& E'.& .' G.& 1E.& 0& ('.' ?E.' EE .& G.& 1&.' 0G ('.& EE.& EG.& 1'.' 1 1&.& 0 (1.' E.&&.' E 1'.& ? 1G.' 00 (1.& &&.& &1.& 11.' & 1G.& 0

PASO $:

D -epetimos los pasos del 1 al E ba:o las mismas condiciones

anterioresA pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la

anterior

D os datos se anotaron en la tabla '(.

TABLA 02 (mH2O= 400!

#emperatura Inicial F (E""(min

!

T(#C! "(min

!

T(#C! "(min

!T(#C!

"(min

!T(#C!

'.& (& (.& E& E.& G0 G.& (1.' ?' ?.' &1 &.' E .' G1.& ?E.& ?.& & &.& .& 0(.' E' E.' G? G.' 0E 0.' 0.&

PASO %:

D -eali6amos la gr97ca #emperatura vs tiempo8 para los dos casosanteriores usando papel milimetrado.

!++I G


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

PASO &:

D 3eterminamos la ecuacin de la gr97ca mediante el mtodo demnimos cuadrados.

3e la tabla '1 se obtuvo la ecuacin

# F


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

T=H

mct+T

0

3e donde se sabe que H/mc es la pendiente de la gr97ca8 si la masaes ma;or entonces la pendiente de la gr97ca disminu;e.

n concu)in a *+,ca /ue "iene mao* e) a /ue "ienemeno* endien"e (e)"+ meno) incinada! a cua co**e)onde aa *+,ca de a Taa 015

'e"e*mina* a can"idad de cao* a)o*ido a*a cada

ca)o:

Pa*a a "aa 01

#emperatura Inicial #'F (E"#emperatura +inal #F &"

Masa de agua mFE''g

"alor especi7co del agua "eF1 cal/g"

3e la ecuacin 1

Q=Cem (TTo )=1x400x (9524 )=28.400Kcal

Pa*a a "aa 02

#emperatura Inicial #'F (E"

#emperatura +inal #F 0.&"

Masa de agua mF(''g


3e la ecuacin 1

Q=Cem (TTo )=1x200x (98.524 )=14.900Kcal

PASO 6:

!++I 0


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

- "olocamos el agua anterior ;a caliente en un vaso de espuma depoliuretano.

- "olocamos el termmetro en el vaso

- $notamos la temperatura cada 1' segundos durante E minutos.

- e anotaron los datos en la tabla '?

TABLA 03

"()e

!

T(#C! "(min

!

T(#C! "(min

!T(#C!

"(min

!T(#C!

1' ( ' 0 1?' 01 1' 0(' ' 0' 0G.& 1E' 0'.& ('' .&?' 0 ' 0& 1&' 0' (1' E' 00.& 1'' 0E 1G' .& ((' G.&&' 00 11' 0(.& 1' (?' GG' 0.& 1(' 01.& 10' 0.& (E' &

PASO 7:

- ecamos un cubo de hielo con papel toalla

- o introducimos r9pidamente en el agua

PASO 10:

- "ontinuamos tomando la temperatura cada 1' segundos hasta Eminutos hielo que el cubo de hielo se ha;a fundido.

- os datos se anotaron en la tabla 'E

!++I


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TABLA 04

"()e

!

T(#C! "(min

!

T(#C! "(min

!T(#C!

"(min

!T(#C!

1' G& ' G?.& 1?' G( 1' G'.&

(' GE.& 0' G? 1E' G1.0 ('' G'.??' GE ' G(.0 1&' G1.0 (1' G'E' GE 1'' G(.0 1G' G1.& ((' &.0&' G?.0 11' G(.& 1' G1 (?' &.&G' G?.0 1(' G(.? 10' G'.0 (E' &.?

o 'e"e*mine e voumen ,na de aua %7nalF (1'.&

ml

ste volumen se obtuvo colocando el lquido 7nal en una

probeta graduada ; viendo el volumen que indica.o 8u9 ma)a de aua "enia o*iinamen"e magua inicialF

(''g

s la masa que se us inicialmente

o 8u9 ma)a "en.a de ieo o*iinamen"e mhielo original F

(''g

abemos que al 7nal se tienen (1'.& ml de agua8 es decir(1'.& g de agua8 por lo tanto signi7ca que 1'.& g de agua es

igual a la masa de hielo que se fundi.

PASO 11:

- Hacer una gr97ca # versus t

!++I 1'


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a gr97ca en papel milimetrado se ad:unta en los ane@os.

- "alcular la cantidad de calor total prdida por el agua mientras el

hielo se funda

#emperatura Inicial #'F G&"

#emperatura +inal #F &.?"

Masa de agua mF(''g


3e la ecuacin 1

Qperdido=Cem (TTo )=1x 200x (6559.3 )=1.14Kcal

MONTAJE 2 CONVECCIN (EN AGUA)

PASO 1:

D n el vaso de precipitado vierta alrededor de E'' ml de agua.

!++I 11


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PASO 2:

D )or el borde del vaso de precipitado de:ecaer en el agua algunos cristales depermanganato de potasio . .

PASO 3:

D "on la llama ba:a coloque el mecherodeba:o del borde inferior del vaso deprecipitados.

PASO 4:

D Mientras se caliente el agua observamos el movimiento ;anotamos las siguientes impresiones e@plicando lo que pasa=

o $l observar cuidadosamente el calentamiento del aguaobservamos que el agua caliente en la parte inferior subahacia la super7cie 8 despla6andoel agua fra que se encontraba all ; sta a su ve68 descendaocupando el lugar de:ado por el agua caliente.

o sto se pudo apreciar gracias al permanganato de potasio quenos facilit la observacin del u:o de agua.

o l )ermanganato de potasio combinado con el agua modela elmovimiento del lquido que es producido por la transferenciade calor por conveccin.

o l agua caliente sube hacia la super7cie porque al absorber elcalor de la llama se vuelve menos densa que el agua fra8 es decir8 el u:o de agua fra ; caliente sedebe a la diferencia de densidades producidas por elcalentamiento inicial de la porcin de agua de la parte inferiordel vaso.

!++I 1(


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MONTAJE CONVECCIN (EN AIRE)

PASO 1:

D 3esglosamos una espiral8 recort9ndolocuidadosamente.

PASO 2:

D Hacemos un nudo en el sedal ; lo pasamos porun ori7cio previamente hecho en el centro delespiral

PASO 3:

D ncendemos el mechero con una llama ba:a

PASO 4:D "olocar la espiral entre 1& ; (' cm por encima del mechero.

PASO $:

D ,bservamos ; anotamos nuestras observacionesdel fenmeno

o "uando la espiral es colocada sobre elmechero8 el aire que est9 cerca del fuegorecibe calor8 por consiguiente8 el volumen deesta capa de aire aumenta ; por eso su

densidad disminuir98 haciendo que sedesplace hacia arriba por la espiral para quesea reempla6ado por aire menos caliente ;m9s denso que viene de la regin superior8

o ste proceso continua con una circulacin demasas de aire m9s caliente hacia arriba ; demasas de aire frio hacia aba:o este aire enmovimiento mover9 la espiral haciendo queentre en rotacin.

- Pa*a a e)i*a con;eccionada de o"*o )en"ido< e i*o)e*.a e mi)mo

o *o8 segCn lo visto ; por su forma la geometra determina elmovimiento del espiral.

o l sentido orientara el movimiento del espiral8 as que si elsentido cambia puesto que el u:o de aire asciende por un lado; por el otro desciende.

PASO %:

!++I 1?


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D Seae "*e) e>emo) en o) /ue o)e*ve e)"e ;enmeno

"uando una sustancia es for6ada a moverse por unventilador o una bomba8 como en algunos sistemas decalefaccin de aire.

"irculacin de aire en una pla;a es un modo de conveccinnatural.

a me6cla que se presenta cuando el agua de la super7ciede un lago se enfra ; se hunde.

EVALUACIN

15 Si en ua* de aua< )e u"ii?a o"*o ./uido de mao* cao*e)ec.,co< e*o de iua ma)a Cmo )e*.a e *a,co T*+ceo de)c*.ao5

l gr97co seguira siendo una recta8 sin embargo8 la pendientevariar9. -ecordemos la ecuacin que relaciona la temperatura con eltiempo=

T=H

mct+T0

3onde c es el calor especi7co.

$hora bien8 el coe7ciente de t vendra a ser la pendiente de dicharecta. s decir=

pendiente=H

mc

%emos que esta pendiente tiene en su e@presin al calor espec7co c; se relaciona inversamente proporcional a ella.

s decir8 a un ma;or c la pendiente de la recta ser9 menor8 encambio8 a un menor c la pendiente ser9 m9s pronunciada.

ntonces vemos que si traba:amos ba:o las mismas condiciones8cambiando solo el agua por otro lquido de ma;or calor especi7co8 la

!++I 1E


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recta tendr9 una menor pendiente con respecto a la inicial por lo mencionado lneas arriba.

25 Po* /u9 en e a>u)"e de a *+,ca no )e con)ide*a e in"e*vaode &$#C a 100#C

*o se considera debido a que en ese intervalo para los tiempos que

pasan la temperatura varia mu; poco8 ; como el termmetro indica las

temperaturas para cada '.&"8 entonces se cometera errores en la

toma de temperaturas ;a que se obtendran con imprecisin alterando

los resultados al reali6ar el a:uste de rectas.

35 'e"e*mine e @u>o cao*.,co en cada ca)o5 .)icamen"e< A/ui9n )e dee dico vao*

Pa*a a "aa 01

uego de aplicar regresin lineal= T=3,290 t+32,69

)or comparacin= 3,290=H

mcmc (3290 )=H

!++I 1&


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I*+,-M *0 "$,- $2,-2I3, / 3II)$3, 4 ",*%""I5*

-eempla6ando masa (m=400g) ; calor especi7co del agua

(c=1,00 cal

g)

3,290 (400) (1,00 )=H

H=1316cal

m

Pa*a a "aa 02


)or comparacin= 3,290=Hmc

mc (9,897 )=H

-eempla6ando masa (m=200 g) ; calor especi7co del agua

(c=1,00 cal

g)

9,897 (200 ) (1,00 )=H

H=1979,4cal

m

Pa*a a "aa 03


)or comparacin= 3,290=H

mcmc (3290 )=H


(c=1,00 cal

g)

0,068 (200 ) (1,00 )=H

H=13,6cal

s

!++I 1G


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Pa*a a "aa 04

uego de aplicar regresin lineal= T=0,023t+65,05

)or comparacin= 3,290=

H

mcmc (3290 )=H


(c=1,00 cal

g)

3,290 (400) (1,00 )=H

H=4,6cals

45 ndi/ue e "iemo /ue demo* en *eco**e* e in"e*vao 60#C 6$#C5 Revi)e e ca)o *ei)"*ado en"*e $0#C $$#C

)ando a ecuacin de a "aa 01

T=3,290 t+32,69

#omando # F 0' ; #F0& se tiene

T=80=3,290 t+32,69t1=14.38m

T=85=3,290 t+32,69t1=15.90m

l tiempo que demoro en recorrer fue=

t=t2t

1=1.52minutos

)ando a ecuacin de a "aa 01

T=3,290 t+32,69

#omando # F &' ; #F&& se tiene

T=50=3,290 t+32,69t1=5.26m

T=55=3,290 t+32,69t1=6.78m

l tiempo que demoro en recorrer fue=

!++I 1


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t=t2t

1=1.52minutos

e observa que para iguales cambios de temperatura es igual elintervalo de tiempo.

$5 8u9 *eacin eDi)"e en"*e a) endien"e) de a) di;e*en"e)*+,ca) a can"idad de cao* a)o*ida a*a o) di;e*en"e)ca)o)

3e todos los casos se tienen las siguientes relaciones=o as pendientes de las gr97cas son H/mc donde se observa una

relacin inversa entre la pendiente ; el calor espec7co delmaterial ; tambin con la masa.

o abemos que un cuerpo con ma;or calor espec7co signi7ca

que necesita absorber una ma;or cantidad de calor paraaumentar su temperatura.

o abemos que un cuerpo con ma;or masa8 tiende a absorberm9s calor que un cuerpo con menor masa.

3e todo lo anterior se tiene que una gr97ca con ma;or pendienteindica un menor calor espec7co ; a menor calor especi7co que elcalor absorbido por el cuerpo es menor.

Di)"e *eacin inve*)a en"*e a endien"e e cao*

a)o*ido5

%5 nve)"ia* eDica* )o*e a conveccin ;o*?ada< de e>emo)de aicacin

a conveccin for6ada es el movimiento del uido generado porfuer6as impulsoras e@ternas.

ste tipo de conveccin for6ada tienecomo mecanismo la transferencia decalor entre una super7cie ; un uido

con movimiento que u;e alrededorde la misma8 el cual es for6ado acircular a travs de esta por algCnequipo donde se hace variar la presindel uido de traba:o

:emplos de aplicacin=

D $plicacin de gradientes de presin conuna bomba

D os ventiladores

!++I 10


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&5 Lo) mo"o*e) au"omo"*ice) no ueden *e;*ie*a*)e o* ). )oo)58u9 )i)"ema) u)an /ue *inciio de *oaacin u)an a*a

di)ia* a ene*.a cao*.,ca

Si)"ema) de *e;*ie*acin

os sistemas actualmente empleados para la refrigeracin de losmotores8 tanto de gasolina como 3iesel8 son los siguientes=

-efrigeracin por aire

-efrigeracin por agua o mi@tos

Re;*ie*acin o* ai*e

ste sistema consiste en evacuardirectamente el calor del motor a laatmsfera a travs del aire que lo rodea.)ara me:orar la conductibilidad trmica ola manera en que el motor transmite elcalor a la atmsfera8 estos motores sefabrican de aleacin ligera ; disponensobre la carcasa e@terior de unas aletasque permiten aumentar la super7cieradiante de calor. a longitud de estasaletas es proporcional a la temperaturaalcan6ada en las diferentes 6onas delcilindro8 siendo8 por tanto8 de ma;or longitud las que est9n maspr@imas a la c9mara de combustin.

COECLSOES

Investigar el comportamiento de la

energa trmica absorbida/disipada por

una sustancia lquida.

!++I 1


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Hacer un estudio comparativo de la

cantidad de calor absorbida/disipada para

diferentes proporciones del lquido.

Investigar cmo se transporta el calor en

los uidos.

RCOFE'ACOES

)rimera recomendacin es utili6armas de un cubo de hielo para que se

!++I ('


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pueda veri7car el cambio detemperatura.

e puede observar un cambio cuando

se calientan los espirales si los colocaal ras del fuego.

$gitar el agua en cada momento paratener valores m9s e@actos detemperatura.

Informe Laboratorio 8 Fisica II UNMSM

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