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Fisica II

UNMSM UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA) FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA E.A.P DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E.A.P DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

Tema: Calor Absorbido/Disipado y Convección Integrantes:

ELECTROTECNIA

UNMSM

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA) FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA E.A.P DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E.A.P. DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

CALOR ABSROBIDO/DISIPADO Y CONVECCION EXPERIENCIA N° 07

I.

OBJETIVO   

II.

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. Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos.

MATERIALES / EQUIPOS 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. ¿QUÉ ES? El calor absorbido y disipado se da entre dos cuerpos a diferentes temperaturas en donde el cuerpo con mayor temperatura le transfiere calor al de menor. Además el calor disipado también se da por la transformación de energía como es el caso de una resistencia eléctrica ya que los electrones que fluyen por este chocan con los átomos y moléculas del material por lo cual la temperatura de la resistencia aumenta la cual es disipada calor al medio ambiente. La convección es una forma de transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido, que este cerca y que además este en movimiento e implica los efectos combinados de conducción y del movimiento de un fluido. Cuando mayor es el movimiento de un fluido mayor es la transferencia de calor por convección.

IV. ¿PARA QUE SIRVE? Energía geotérmica Se denomina energía geotérmica a la energía almacenada en forma de calor por debajo de la tierra. Esta definición incluye el calor que se encuentra en las rocas, suelos y aguas termales, cualquiera sea su temperatura, profundidad o procedencia. En la actualidad, está considerada como una fuente de energía renovable abundante y de explotación viable. Por su temperatura o “entalpía” (magnitud termodinámica simbolizada con la letra H mayúscula) se presentan de la siguiente manera:

Hasta el momento se han desarrollado diferentes tecnologías para aprovechar el calor extraído de la tierra y, en el futuro inmediato, se proyectan varias más. Por ejemplo, en el caso de las zonas con media y alta entalpía, existe la posibilidad de instalar plantas de generación de energía eléctrica a partir de turbinas de vapor. Para las zonas donde el agua ya sale evaporada (o de alta entalpía) se utilizan los sistemas de ciclo directo con expansión súbita de una o dos etapas.

V.

FUNDAMENTO TEORICO Caso 1: Calor absorbido La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su velocidad de variación de temperatura. Esto es : (

)

(

)

Donde: Ce : Calor especifico T0 : temperatura inicial de referencia T: temperatura final El suministro de energía térmica por unidad de tiempo, corresponde a que este recibe un flujo calorífico H. Si el flujo es constante,

Luego resulta:

Integrando se obtiene: ∫

∫

La última ecuación relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde representa la pendiente y T0 la temperatura inicial. Si cuerpo se encuentra en un sistema adiabático, el trabajo de dilatación se realiza a expensas de energía interna. -

-

Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo es un proceso no coincide con el trabajo realizado; la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor, es positivo cunado absorbe calor y negativo cuando disipa. 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:

Caso 2: Convección La propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en solidos), 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 forma 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 frio 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 atmosfera dan lugar a las precipitaciones pluviales.

VI. PROCEDIMIENTO Montaje 1: Calor Absorbido/Disipado 1. Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 2. Coloque en el vaso pirex agua a temperatura ambiente, casi hasta la parte superior. 3. Anote el valor de la temperatura y del volumen de agua.

4. Encienda el mechero. Busque un flujo aproximadamente constante. La llama no debe ser muy fuerte ni estar muy cerca del 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: 6. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada 30 seg. Hasta llegar a punto de ebullición. Anote los datos en la tabla 1. T(°C) 21 23 27 31 36 39 43 47 51 54 58 61 65 68 71 74 78 81 84 86

Temperatura VS tiempo 120 100

Temperatura (°C)

t(min) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5

80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

tiempo(min)

10

12

14

10 10.5 11 11.5 12

89 91 94 96 97

7. Repita los pasos (1) al (5) bajo las mismas condiciones anteriores; ahora use la mitad de agua anterior. Anote los datos en la tabla N°2

T(°C) 21 22 27 34 41 46 53 58 63 68 74 78 83 87 91 93 94 94

Temperatura VS tiempo

Temperatura (°C)

t(min) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

tiempo (min)

8. Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos anteriores (use papel milimetrado).

8

9

9. Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75°C. De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa? Para la tabla 1 𝑥𝑖

𝑡(𝑚𝑖𝑛)

(

)

21 23 27 31 36 39 43 47 51 54 58 61 65 68 71 74 60 ⬚ 769 3504.5 Total Usamos la fórmula para hallar la recta de ajuste

0 11.5 27 46.5 72 97.5 129 164.5 204 243 290 335.5 390 442 497 555 310

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

Sea

la pendiente m se calcula por:

(

)

(

)

(

)

Donde P es el número de datos medidos -Remplazando en la fórmula:

0 0.25 1 2.25 4 6.25 9 12.25 16 20.25 25 30.25 36 42.25 49 56.25

𝑚

(

)

DE aquí obtenemos la relación: ( )

Para la tabla 2

𝑥𝑖

Total

⬚

𝑡(𝑚𝑖𝑛) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 27.5

(

) 21 22 27 34 41 46 53 58 63 68 74 507

0 11 27 51 82 115 159 203 252 306 370 1576

Usamos la fórmula para hallar la recta de ajuste Sea

la pendiente m se calcula por:

(

)

0 0.25 1 2.25 4 6.25 9 12.25 16 20.25 25 96.25

(

)

(

)

(

)

Donde P es el número de datos medidos -Remplazando en la fórmula:

𝑚

DE aquí obtenemos la relación: ( )

Temperatura VS tiempo 80 y = 11.218x + 18.045

Temperatura (°C)

70 60 50

y = 7.3029x + 20.676

40

Linear (masa 2)

30

Linear (masa 1)

20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

tiempo (min)

Graficando los datos presentamos el siguiente gráfico:

Por la ecuación:

La cantidad:

es la pendiente de las rectas en las gráficas, donde H es el flujo

calórico por unidad de tiempo, como la cantidad H es contante (mantenemos constante la llama del mechero durante el experimento, por lo que el flujo de calor debe ser constante), además la cantidad Ce que es llamado calor especifico del cuerpo, es una constante y depende de las propiedades del cuerpo, en este caso agua; por lo que la única que puede variar es la masa de agua. Por lo que si la masa aumenta,

disminuye,

con eso podemos determinar que grafica representa al líquido con mayor masa. En conclusión tendrá mayor masa el que liquido cuyo grafico tenga la menor pendiente, para nuestro caso tenemos que el grafico m1(color naranja ) es mayor que m2 (color celeste.) 10.-vierta agua caliente 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 10s durante 3 min. Anote los datos en la tabla 3.

TABLA 3 T (°C)

85 84 84 83.5 83 82.8 82 81.8 81.1 80.5

t (s)

10 20 30

40 50

60 70

80

90

80

79

100 110 120

79.5

79 78.5

130 140

78 77.8 77.5

150 160

170

180

11.- seque un cubo con hielo con una toalla de papel e introdúzcalo en el agua. 12.- Continúe tomando la temperatura cada 10s, agitando suavemente, hasta 3 minutos después que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4. TABLA 4 T (°C)

71 70.8 70.8 70.5 70.2 70 69.8 69.5 69 69

68.8 68.8 68.5 68.3

t (s)

10

110

20

30

40

50 60

70

80 90 100

120

130

68 67.9 67.5 67.5

140 150

160

 ¿en qué instante de tiempo exacto el hielo termina de fundirse? Termina de descongelarse en: 24.97s  Determine el volumen final del agua: el agua se merma por la evaporación 185mL  ¿qué masa tenía el agua inicialmente?  Explique cómo determino estas masas: La masa del agua de determino con la densidad de la misma y la masa del hielo pesándola sobre la balanza pero cogiéndola con un trapo para no derretirla.

13.- haga una gráfica T vs. t. Antes de agregar el hielo:

170

180

T (°C)

T (°C) vs t(s) 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76

T (°C) Linear (T (°C)) y = -0.0447x + 85.195 R² = 0.9867 0

50

100

150

200

t(s)

Después de agregar el hielo:

T (°C)

T (°C) vs t(s) 71.5 71 70.5 70 69.5 69 68.5 68 67.5 67

T (°C) Linear (T (°C)) y = -0.0216x + 71.265 R² = 0.99 0

50

100

150

200

t (s)

¿Cómo afectó el cubo de hielo añadido al agua la rapidez de enfriamiento? Según las pendientes que se ve al comparar antes y después de agregada el hielo. Nos indica que la rapidez de enfriamiento aumenta al agregar el hielo al agua Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía. ⁄ (

)

⁄

(

)

( (

)

)

⁄ (

(

)

)

Montaje 2: convección (en agua) 1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 200mL de agua. 2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de permanganato de potásico. 3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados. 4. Mientas se calienta, observe atentamente el agua coloreada. Anote sus impresiones. Al introducirse el permanganato potásico al agua, en cierto punto donde se concentra la mayor cantidad de calor este empieza a colorear a la porción de agua que se encuentra. Esta porción de agua empieza a circular en el vaso de precipitados circulación según la diferencia de temperatura que se genera al calentarse y enfriarse contantemente generándose un ciclo visible fácilmente gracias al teñido del agua. 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. a) El agua sube del punto “A” a la “B” por la diferencia de densidades entre el agua fría y caliente, el agua caliente menos denso que el agua fría. b) Se dirige del punto “B” a la “C”, por una diferencia de temperatura Tc