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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA QUÍMICA FARMACÉUTICO BIOLÓGICA LABORATORIO DE CIENCIA BÁSICA I PROFESORA: LETICIA CARRIZOSA ESPINOZA GRUPO: 1108 ALUMNOS:  GARCÍA JUÁREZ JESSICA ABIGAIL  RIVERA GARCÍA FERNANDO 4TO REPORTE EXPERIMENTAL “LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON” 2019 – 1

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON RESUMEN El objetivo de este experimento es el de estudiar si la ley de enfriamiento de Newton se ajusta a la observación en el enfriamiento del reactivo (leche blanca), si el cuerpo se enfría a partir de una temperatura hasta llegar a otra; además de eso el otro objetivo es el de obtener la ecuación empírica en el enfriamiento de la leche. El problema de nuestro experimento era el de saber si la dicha ley se podría demostrar con la observación del enfriamiento de la leche. Los resultados que se esperan obtener en este experimento son que mientras el líquido se vaya acercando a la temperatura ambiente, este tardara mucho más en descender su temperatura, ya que se tomó el tiempo que tarda en descender tres grados su temperatura, entre más caliente se encontraba el líquido, más rápido descendía, pero mientras más se acercaba a la temperatura ambiente, descendía tan lento que llego a tardar una alrededor de una hora en descender los últimos tres grados. MARCO TEÓRICO CALOR Se denomina calor a la energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico. Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de adentro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura. TRANSMISIÓN DEL CALOR En general, se admiten tres formas distintas de transmitir el calor: por conducción, por convección y por radiación. En rigor, solo la conducción y la radiación son formas de transmisión del calor, que para producirse dependen exclusivamente de la existencia de un desequilibrio térmico. El caso de la convección depende además del transporte mecánico de masa, sin embargo, como sigue habiendo una transferencia de calor desde una zona de mayor temperatura a otra de temperatura inferior, se adopta la expresión transmisión de calor por convección. 

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Conducción térmica: Siempre que existe un gradiente de temperatura en un medio sólido, el calor fluye desde la región o cuerpo con mayor temperatura a la región o cuerpo con menor temperatura. Convección térmica: se compone de dos mecanismos que operan al mismo tiempo; transferencia de energía generada por el movimiento molecular, es decir, conducción, y transferencia de energía mediante el movimiento de partes de fluido impulsadas por una fuerza externa, que puede ser natural en el caso de un gradiente de densidad, o forzada en el caso de un ventilador o una bomba. Radiación térmica: Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética con una intensidad que depende de su temperatura y de la longitud de onda considerada.

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LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON La transmisión simple, es decir, debida exclusivamente a una de las tres formas es en la práctica inexistente y se produce siempre en forma simultánea, al menos por la combinación de dos de las formas de transmisión y muy a menudo por las tres. TIPOS DE CALOR 

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Calor de fusión: Se trata de la energía que logra cambiar un gramo de sustancia en estado sólido a un estado líquido, sin generar alteración alguna en su temperatura. Con este tipo de calor o de energía se llega a romper con los enlaces sólidos. Calor latente: Se trata de la energía que se necesita para cambiar la fase de cierta cantidad de sustancia, sea esto de sólido a líquido –calor de fusión, -, o de líquido a gaseoso –calor de vaporización. Calor sensible: Es el tipo de calor que el cuerpo o cualquier objeto recibe, el cual genera un cambio en su temperatura, aumentándola sin llegan a inferir en su estructura molecular y en su estado. Calor específico: Se refiere a la cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura de la unidad de masa de un determinado compuesto o elemento en un grado. Esta energía proviene de la transformación de otras energías, donde se origina por el movimiento vibratorio de las moléculas y de los átomos que forman los cuerpos. Calor seco: Se trata de una técnica de esterilización térmica, donde su efecto es equivalente al horneado en los microorganismos.

TEMPERATURA La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que este se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor. La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin(K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. UNIDADES DE TEMPERATURA Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto.3 Mientras 3

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse. RELATIVAS 

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Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre estos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra mayúscula para denominarlos. En 1954, la escala Celsius fue redefinida en la Décima Conferencia de Pesos y Medidas en términos de un sólo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue el punto triple del agua que es el estado en el que las tres fases del agua coexisten en equilibrio, al cual se le asignó un valor de 0,01 °C. La magnitud del nuevo grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fracción 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Como en la nueva escala los puntos de fusión y ebullición del agua son 0,00 °C y 100,00 °C respectivamente, resulta idéntica a la escala de la definición anterior, con la ventaja de tener una definición termodinámica. Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius. Grado Réaumur (°Ré, °Re, °R). Usado para procesos industriales específicos, como el del almíbar. Grado Rømer o Roemer. Es una escala de temperatura en desuso que fue propuesta por el astrónomo danés Ole Christensen Rømer en 1701. En esta escala, el cero es inicialmente la temperatura de congelación de la salmuera. Grado Newton (°N). Es probable que Anders Celsius conociera la escala termométrica de Newton cuando inventó la suya. Por consiguiente, la unidad de esta escala, el grado Newton, equivale a (aproximadamente 3,03) kelvines o grados Celsius y tiene el mismo cero de la escala de Celsius. Grado Leiden. La escala Leiden se utilizaba a principios del siglo XX para calibrar indirectamente bajas temperaturas, proporcionando valores convencionales kelvin de la presión de vapor del helio. Grado Delisle (°D). La escala Delisle es una forma de medir temperatura concebida en 1732 por el astrónomo francés Joseph-Nicolas Delisle (1688-1768).

ABSOLUTAS

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LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen como escalas a dos puntos. Sin embargo, en el estudio de la termodinámica es necesario tener una escala de medición que no dependa de las propiedades de las sustancias. Las escalas de este tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura termodinámicas. Con base en el esquema de notación introducido en 1967, en la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM), el símbolo de grado se eliminó en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta. Sistema Internacional de Unidades (SI)

Kelvin (K) El kelvin es la unidad de medida del SI. La escala kelvin absoluta parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.3 Aclaraciones: No se le antepone la palabra grado ni el símbolo º. Cuando se escribe la palabra completa, «kelvin», se hace con minúscula, salvo que sea principio de párrafo. Sistema anglosajón de unidades Rankine (R o Ra). Escala con intervalos de grado equivalentes a la escala Fahrenheit, cuyo origen está en -459,67 °F. En desuso.

CAMBIOS DE ESTADO En física y química es la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la tierra son sólido, líquido y gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en 5

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON nuestro universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si descartamos la materia oscura).

LEY DE ENFIAMIENTO DE NEWTON La transferencia de calor está relacionada con los cuerpos calientes y fríos llamados; fuente y receptor, llevándose a cabo en procesos como condensación, vaporización, cristalización, reacciones químicas, etc. en donde la transferencia de calor tiene sus propios mecanismos y cada uno de ellos cuenta con sus peculiaridades. La transferencia de calor es importante en los procesos, porque es un tipo de energía que se encuentra en tránsito, debido a una diferencia de temperaturas (gradiente), y por tanto existe la posibilidad de presentarse el enfriamiento, sin embargo, esta energía en lugar de perderse sin ningún uso es susceptible de transformarse en energía mecánica, por ejemplo; para producir trabajo, generar vapor, calentar una corriente fría, etc. En virtud de lo anterior es importante hacer una introducción al conocimiento de los procesos de transferencia de calor a través de la determinación experimental de la ecuación empírica que relaciona la temperatura de enfriamiento de una cantidad de sustancia con respecto al medio. Experimentalmente se puede demostrar y bajo ciertas condiciones obtener una buena aproximación a la temperatura de una sustancia usando la Ley de Enfriamiento de Newton. Esta puede enunciarse de la siguiente manera: La temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a la diferencia de las temperaturas entre el medio externo y el cuerpo. Suponiendo que la constante de proporcionalidad es la misma ya sea que la temperatura aumente o disminuya, entonces la ecuación diferencial de la ley de enfriamiento es: (1)

Donde: T = Temperatura de un cuerpo t = tiempo Tm = Temperatura del medio ambiente

Procediendo a la solución de la ecuación (1) y separando variables

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LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON (2)

integrando cada miembro de la ecuación

(3)

Obtenemos

(4)

y por tanto la ecuación inversa es;

(5)

(6) Si: (7)

(8)

(9)

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ¿Cuál será el tiempo de enfriamiento de la leche a una temperatura de 25°C más que la temperatura ambiente?

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LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON OBJETIVO GENERAL Observar el tiempo que tarda en enfriarse un cuerpo que fue sometido a altas temperaturas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS   

Cuantificar el tiempo que tardará en enfriarse el líquido Observar el fenómeno de transferencia de Q y determinar su tipo de propagación Conocer mediante el uso de la Ley de Enfriamiento de Newton la temperatura de enfriamiento del cuerpo (leche)

HIPÓTESIS Si la ley de enfriamiento de Newton dice que la temperatura de un cuerpo cambiará a velocidad proporcional a la diferencia de temperatura, entonces se espera que, al calentar la leche, y dejándola reposar en medios aislantes (vidrio y plástico), después de un tiempo alcance un equilibrio termodinámico con el ambiente que lo roda, formando así una gráfica de dispersión exponencial y demostrar dicha ley. MATERIAL a) De vidrio, para contener  Vaso de precipitados de 250 mL  Probeta de 50 mL b) General de laboratorio  Soporte universal  Pinzas de doble presión c) Equipo  Parrilla de calentamiento d) Instrumentos  Termómetro de inmersión parcial de -10 a 150° e) Adicional  Cronómetro  1 litro de leche  Vaso de plástico  Vaso de cristal MÉTODO Con ayuda de la probeta, se midieron 20 mL aproximadamente de leche, los cuales se colocaron en un vaso de precipitados; en el soporte universal, se colocó la pinza de doble presión, la cual a su vez sostuvo el termómetro, la leche anteriormente medida, se colocó a calentamiento a 25°C más que la temperatura ambiente. Una vez que se llegó a la temperatura deseada, se quitó el vaso de precipitados de la parrilla y se colocó el líquido caliente en los recipientes (vaso de cristal y vaso de plástico) y se midió su temperatura paulatinamente (cada 5 minutos).

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LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON Los datos se colocaron en las tablas 1, 2, 3 y 4, se calcularon la media, al igual que los datos necesarios para realizar los gráficos correspondientes. RESULTADOS PROMEDIOS25

TABLA 1 T (MIN)

Temperatura Enfriamiento 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

25 23 20 18 15 11 10 8 7 7 5 5 3 12.0769231

T (MIN) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 PROMEDIOS22.5

Temperatura Enfriamiento 25 26 21 22.0702048 17 18.1453382 14 15.2257464 12 13.3117997 11 12.4038943 9 10.5024543 8 9.6079338 7 8.72081841 6 7.84162807 13 14.3829818

TABLA 4 T (MIN)

TABLA 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

13.4999861

TABLA 3

26 24.0756768 21.1570805 19.2446446 16.3388352 12.4401539 11.5491401 9.66637399 8.79247976 8.9281288 7.07404333 7.23100019 5.39983504 13.6844148

PROMEDIOS30

T (MIN)

14.6363636

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 PROMEDIOS27.5

Temperatura Enfriamiento 26 0 22 23.0539026 20 21.1107106 16 17.1705808 15 16.2336781 14 15.3001765 12 13.3702593 11 12.4441198 9 10.5219616 8 9.60399918 8 9.69045885

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Temperatura Enfriamiento 26 28 23 25.0484087 21 23.0991608 18 20.1523698 16 18.2081545 15 17.2666397 13 15.3279561 12 14.3922408 11 13.4596373 10 12.5302965 8 10.6043762 8 10.6820419 15.0833333 17.3976069

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON DISCUSIÓN DE RESULTADOS En base a los resultados obtenidos en las pruebas del experimento, nuestra ecuación empírica de la ley de enfriamiento es de tipo exponencial. Esto es debido a que entre más caliente se encontraba el líquido más rápido descendía su temperatura, hasta el punto de alcanzar la temperatura ambiente, que comenzaba a tardar mucho tiempo en bajar tres grados. La razón por la que sucedió esto es que el líquido estaba entrando en un equilibrio térmico con el ambiente, ya que alcanzo la misma temperatura (22 ºC). CONCLUSIONES Al hacer la realización de nuestro experimento podemos concluir que nuestra hipótesis fue acertada y se cumplió lo que decía. REFERENCIAS  Skoog, D. A., Holler, J. H., Nieman, T. A. “Principios de Análisis Instrumental”, 5a Edición. McGraw Hill. Madrid, España. 2001.  Rubinson, K. A., Rubinson, J. F. “Análisis Instrumental”. Pearson Educación, S.A. Madrid, España, 2001.  Willard, H. H., Merrit, L. Jr., Dean, J. A. y Settle, F. A. "Métodos Instrumentales De Análisis". Grupo Editorial Iberoamérica. México, D.F. 1991.koog. -Holler Nieman, Análisis Instrumental, quinta edición, Mc Graw Hill, 2001.  Dennis G. Peters, John M. Hayes and Gary M. Hieftje. "Chemical separations and measurements" Theory and practice of Analytical Chemistry Saunders Golden Series, 1974.  Christian, Gary D. “Analytical Chemistry”, 6th Edition. John Wiley and Sons. Hoboken, USA. 2003.

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