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EXPERIENCIA Nª 9. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN Y RADIACION

INTEGRANTES 1 2 3 4

NOMBRE Leslie Ortega Meza Cesar Irreño Quijano Deyner Pérez Narváez Alix Santiago Viloria

CODIGO 101610159

GRUPO: AD DOCENTE: Eduardo Martínez Iglesias

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE FACULTAD DE INGENIERIA DPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS LABORATORIO DE FISICA BARRANQUILLA 2016-01

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RESUMEN

En esta experiencia se analizó el flujo de calor que generan los cuerpos debido a su temperatura, la cual, adquieren por medio de los mecanismos de transferencia de energía conocidos como convención y radiación térmica, de esta manera se observó que cualquier cuerpo con una temperatura por encima del cero absoluto emite radiación térmica y que el movimiento de una masa de un fluido o de un gas de una región a otra genera una transferencia de energía en forma de calor. Para ello se tuvo que realizar un previo montaje experimental, el cual consistió en la realización de varias pruebas, la primera fase de estas pruebas se utilizó una cámara para mediciones caloríficas analizando el flujo de calor en dos placas con diferente coeficiente de emisividad y en la segunda fase se sometió a calentamiento un cuerpo de agua y por medio de un reactivo se analizó las corrientes de convección y además se analizó que ocurre al calentar una porción de aire por medio de un espiral de papel. Posteriormente, se procedió a analizar los resultados obtenidos mediante software CASSY-LAB, para determinar como parte de la experiencia cuál de las placas estudiadas es un buen absolvedor e irradiador de calor y además se analizó como se da de manera experimental el fenómeno de convención en gases y fluidos. Palabras claves Convección, radiación, absolvedor, irradiador, gases, transferencia y fluidos.

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TABLA DE CONTENIDO 1.

INTRODUCCIÓN............................................................................................. 5

2.

MARCO TEÓRICO.......................................................................................... 6

3. OBJETIVOS.................................................................................................... 12 3.1. OBJETIVO GENERAL................................................................................ 12 3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS........................................................................12 4. DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA................................................................13 5. MATERIALES.................................................................................................. 16 6. TABLA DE RESULTADOS................................................................................. 17 7. OBSERVACIONES........................................................................................... 20 8.GRAFICO......................................................................................................... 23 9. CONCLUSIONES............................................................................................. 25 10. RESPUESTAS HOJA DE EVALUACIÓN...........................................................26 11. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS..................................................................30

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1. INTRODUCCIÓN En termino generales el calor se ha definido como energía en tránsito, la forma en que tiene lugar la transferencia es un tema muy importante en la actualidad, especialmente en los procesos productivos en los que se requiere mantener un sistema aislado del medio. De esta manera es importante conocer los fenómenos que ocurren al momento de un cuerpo tener una temperatura mayor al cero absoluto y al mover una masa de agua de un lugar a otro dentro de un líquido confinado. Teniendo en cuenta que el calor se mueve de un lugar a otro, de esta forma se establecen tres mecanismos de transferencia de calor y en esta experiencia estudiaremos dos mecanismos fundamentales en los procesos de transferencia de calor como lo son la convención y la radiación térmica. En general, en comparación con los sólidos, los gases y líquidos no son buenos conductores térmicos. La movilidad de las moléculas en los fluidos permite la transferencia de calor mediante otros procesos conocidos como la convección, de esta manera la transferencia de calor por convección comprende la transferencia de masa. Para el caso de la radiación se considera como un tercer mecanismo de transferencia de calor que no requiere de un medio para su transferencia, ya que se da por medio de ondas de tipo electromagnéticas, por lo cual se diferencia de los otros mecanismos de transferencia de calor. De esta manera en los procesos de transferencia de calor por radiación, esta se hace visible en los materiales de combustión, pero parte del calor obtenido también proviene de la radiación infrarroja o muy conocida como rayos de calor, los cuales son invisibles al ojo humano y esta es proporcional a la temperatura de su fuente. En la naturaleza es posible encontrar tanto fenómenos de transferencia de calor por convección como por radiación, en el caso de la convección la podemos observar de forma natural cuando el flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional y se originan las fuerzas de flotación que generan el movimiento del fluido. En cambio, para el caso de la transferencia de calor por radiación se analiza partiendo de la teoría que la radiación térmica que incide sobre la superficie de un cuerpo, en parte es absorbida, en parte es reflejada, y en parte es transmitida. De esta manera en la naturaleza este tipo de fenómenos describen que las superficies oscuras no son mejores emisores de radiación, sino buenos absorbentes, por lo cual las superficies brillantes son absorbentes pobres, dado que reflejan la mayor parte que inciden. Por consiguiente, el siguiente informe tiene como objetivo general analizar el fenómeno de transferencia de calor por radiación térmica en dos placas de diferente coeficiente de emisividad y el mecanismo de transferencia de calor por convención en un cuerpo líquido y una porción de gas al ser expuestas a una fuente de calor.

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2. MARCO TEÓRICO - TRANSFERENCIA DE CALOR Proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. - MÉTODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos: conducción, convección y radiación, que se ilustra en la siguiente figura.

Figura 1. Esquema de los mecanismos de transferencia de calor. -

RADIACIÓN TERMICA.

Este tercer mecanismo de transferencia de calor no requiere de un medio de transporte y se denomina radiación. Se refiere específicamente a la transferencia de energía por ondas electromagnéticas. Mediante la radiación es como se transmite el calor que viene del sol a la tierra, en el espacio vacío. La luz visible y otras formas de radiación electromagnética se denomina comúnmente energía radiante. La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de Página | 7

radiación electromagnética. La masa en reposo de un fotón (que significa luz) es idénticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotón se llama rayo). La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes y perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λν = c, son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío con una rapidez constante c = 299792 km/s, llamada velocidad de la luz. Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la radiación está relacionada con la energía de los fotones, por una ecuación desarrollada por Planck:

Donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6,63 x 10-34 Js. También se ha encontrado que el nivel al cual un objeto irradia energía es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (T4). Esto se expresa en una ecuación que se conoce como Ley de Stefan: P=σAe T 4 En donde P es la energía Irradiada, en watts (W) o joules/s (J/s). El símbolo se llama constante de Stefan Boltzman:

−8

σ =5.67 x 10 W /m

2

-

K

4

σ

. La energía

irradiada también es proporcional al área de la superficie del objeto (A). La emisividad (e) es un numero entre 0 y 1 característico del material (e no tiene unidades). La emisividad de la piel humana es alrededor de 0.70. -

EMISIÓN Y ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN TÉRMICA

La radiación térmica que incide sobre la superficie de un cuerpo, en parte es absorbida, en parte es reflejada, y en parte es transmitida. Se define la absortividad o coeficiente de absorción ∝ , como la fracción de energía radiante absorbida, la reflectividad o coeficiente de reflexión P, como la fracción reflejada, y la transmisividad o coeficiente de transmisión τ , como la fracción transmitida. Sea "I" la energía radiante total incidente en la unidad de tiempo, por unidad de área, (W.m-2). De un balance de energía se deduce que:

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-

CONTANTE DE EMISIVIDAD

Es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u objeto debida a su temperatura. La emisividad direccional espectral se define como la razón entre la intensidad emitida por la superficie en una dirección particular y la intensidad que sería emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y longitud de onda. La emisividad total se obtiene por integración sobre todo el espectro electromagnético y todo el espacio. Cuanto más pequeño sea el valor de la emisividad, mejor aislante por reflexión será dicha superficie, siendo 1 el valor máximo. Una cantidad relacionada es la absortividad, definida como la fracción de irradiancia recibida que es absorbida por un cuerpo. Toma valores entre 0 y 1. Para un cuerpo negro, la absortividad espectral es 1. Si la absortividad de un cuerpo es menor que 1, pero se mantiene constante para todas las longitudes de onda, éste se denomina cuerpo gris. El coeficiente de emisividad (ε), es un número adimensional que relaciona la habilidad de un objeto real para irradiar energía térmica, con la habilidad de irradiar si éste fuera un cuerpo negro:

Un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un coeficiente ε = 1, mientras que, en un objeto real, ε siempre se mantiene menor a 1. Teniendo en cuenta la ley de Stefan-Boltzmann, la radiación emitida por una superficie real se expresa como una porción de la que emitiría el cuerpo negro y se expresa como:

Donde: Página | 9

Q = flujo de calor = emisividad = 5.67 E-8 es la constante de Stefan-Boltzmann As = área superficial del objeto Ts = temperatura superficial del objeto. -

LEY DE PREVOST

A diferencia con la conducción y convección, la radiación no precisa diferencia de temperatura entre dos cuerpos, o entre dos partes de un mismo cuerpo, la emisión de energía radiante se produce siempre. Basta que su temperatura sea mayor que 0º K (Ley de Prevost). Emiten radiación tanto los cuerpos calientes como los fríos, lo que implica un flujo de calor en los dos sentidos: cuerpo "caliente"  cuerpo "frío" Flujo resultante = diferencia de flujos = FLUJO NETO - CONVECCIÓN La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo, el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.

El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA < T). Tanto en la convección forzada como en la natural, actúan dos mecanismos. Suponiendo que el sólido está a mayor temperatura que el fluido el mecanismo que se observa en la interface entre ambos es el de conducción: las moléculas de la superficie sólida transmiten energía cinética a las moléculas del fluido que se encuentran cerca de la interface y la transferencia de calor.

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Segundo mecanismo de transferencia de calor, involucra el movimiento macroscópico de fracciones de fluido cuyas moléculas “arrastran” el calor a regiones alejadas de la superficie y que se encuentran a temperaturas más bajas. Tomando en cuenta ambos mecanismos, la potencia calorífica que se transfiere por convección es proporcional al área de contacto entre el sólido y el fluido y a la diferencia de temperaturas de la superficie Ts y la del fluido en un punto alejado de esa superficie T∞. Siendo h la constante de proporcionalidad, llamado coeficiente de convección. Es una expresión fenomenológica que, planteada por Newton en 1701, se sigue usando hasta nuestros días. El valor de h depende de la velocidad del fluido, de la forma de la superficie, de las propiedades físicas del fluido. Por el momento, se advierte que, dado el coeficiente h, se puede definir una resistencia térmica de convección. - CONVECCIÓN NATURAL El flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La densidad de un fluido disminuye con el incremento de temperatura. En un campo gravitacional, dichas diferencias en densidad causadas por las diferencias en temperaturas originan fuerzas de flotación. Por lo tanto, en convección natural las fuerzas de flotación generan el movimiento del fluido. Sin una fuerza gravitacional la convección natural no es posible. En convección natural una velocidad característica no es fácilmente disponible. Algunos ejemplos de transferencia de calor por convección natural son: el enfriamiento de café en una taza, transferencia de calor de un calefactor, enfriamiento de componentes electrónicos en computadoras sin ventilador para enfriar, y la transferencia de calor del cuerpo humano cuando una persona está en descanso.

- CONVECCIÓN EXTERNA La convección externa forzada es aquel mecanismo de transferencia de calor entre una superficie y un fluido con movimiento que fluye alrededor de la misma, el cual es forzado a circular a través de esta por algún equipo donde se hace variar la presión del fluido de trabajo.

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Se observa una superficie a temperatura Ts > T∞, por encima de la cual circula una corriente de aire provocada por un ventilador y que le imprime velocidad U paralela a la superficie. Debido a la viscosidad del aire, la corriente al ingresar a la zona donde está la superficie no puede tener la velocidad u ∞ en toda la región puesto que, particularmente sobre la superficie y al estar ésta quieta, la velocidad del aire también debe ser nula. Del mismo modo, si la temperatura del aire es T ∞ en regiones alejadas de la superficie, esta temperatura no puede mantenerse en regiones cercanas a la superficie donde la temperatura es Ts > T∞.

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3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL. Analizar el fenómeno de transferencia de calor por radiación térmica en dos placas y por convención en un cuerpo líquido y un gas al ser expuestas a una fuente de calor.

3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. o Analizar el comportamiento de las gráficas obtenidas por el calor absorbido en las dos placas de estudio y el flujo de calor neto.

o Determinar cuál de las placas estudiadas es un buen absolvedor e irradiador de calor.

o Observar las corrientes de convención producidas al calentar un cuerpo de agua y un gas.

o Estudiar el fenómeno de convección al calentar una porción de aire. Página | 13

o Examinar la absorción e irradiación térmica en diferentes superficies expuestas.

4. DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA. Para el desarrollo de esta práctica realizamos la experiencia en dos fases. De modo que: Fase I- Transferencia de calor por radiación Para empezar, se procedió a hacer el montaje de la experiencia, de modo que: 1. Lo primero que se debe realizar es ubicar las placas de estudio, por lo cual ubicamos primero la placa lacada de negro por un lado dentro de la caja térmica, de modo de que el lado negro quede dentro de la caja. Para luego colocar la placa de poliestireno en la caja térmica para que haga contacto con la placa de aluminio y finalizamos ubicando sobre esta placa una de aluminio lacada en negro, por un lado, con el lado negro hacia la parte de afuera. 2. Posteriormente introducimos las sondas de temperatura, la primera la ubicamos en el canal de medición entre la placa de aluminio y la placa de poliestireno, y la segunda sonda de temperatura la ubicamos en el segundo canal de medición que esta entre la caja térmica y la placa de aluminio, de modo que la punta siempre pase por el canal que posee la placa y llegue hasta la entalladura circular. 3. Se utilizará el rayo de luz de una lámpara halógena, por lo cual se debe conectar y ubicar o proyectar hacia el lado negro de la placa de aluminio a una distancia de 25 cm, de modo de que la luz quede centrada en la placa. Este mismo procedimiento se debe repetir para la placa de aluminio sin lacar, en las instrucciones correspondientes a la ubicación de la placa.

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Imagen 1. Montaje del equipo de transferencia de calor por radiación Una vez realizado el montaje, el procedimiento para desarrollar la experiencia es el siguiente: 1. Antes de iniciar las mediciones en CASSY-LAB, se debe introducir los parámetros y formulas descritas en la matriz establecida para la experiencia. De esta manera se debe escoger un parámetro de medición de 10 minutos con un intervalo de 30 segundos. 2. Se debe configurar al sensor con el fin de que la magnitud se a expresada en grados kelvin. 3. Una vez terminada la prueba se debe repetir las mediciones con la lámina de aluminio sin lacar. Fase II- Transferencia de calor por convección. 2.1.

Convección en Líquidos.

Para observar el fenómeno de convención en los cuerpos líquidos, realizamos el siguiente montaje y procedimiento experimental: 1. Debemos ubicar un vaso de precipitado de 200ml y sujetarlo con la pinza universal como se muestra en la imagen 2. 2. Llenamos el vaso de precipitación con unos 200 ml de agua y dejamos caer por el borde del vaso de precipitación algunos cristales de permanganato. 3. Una vez introducidos los cristales, se debe ubicar el mechero en esa zona debajo del vaso de precipitación, con una llama baja.

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4. Se debe analizar el comportamiento de los cristales en el agua a medida que la temperatura aumenta.

2.2.

. Imagen 2. Montaje del equipo de transferencia de calor por convención en líquidos. Convección en Gases.

Para observar el fenómeno de convención en cuerpos gaseoso, realizamos el siguiente montaje y procedimiento experimental: 1. Tomamos una hoja de espiral y le realizamos un pequeño orificio en el centro, para posteriormente realizar un nudo justo en el extremo del trozo de papel con ayuda de un trozo de seda. 2. Se debe ubicar la espiral del papel entre 15 cm y 20 cm por encima del mechero, para luego encender el mechero y observar el comportamiento del cuerpo de papel al calentar el aire.

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Imagen 3. Montaje del equipo de transferencia de calor por convención en gases.

5. MATERIALES. Fase I- Transferencia de calor por radiación Los materiales y equipos utilizados en la experiencia fueron los siguientes: -

Cámara para mediciones calorimétricas con caja aislante. Fuente de tensión de 12 V. Sondas Térmicas. Sensor de Temperatura. Termo acumulador de aluminio Placa de poliestireno Lámpara de Halógeno. Página | 17

-

Placas de aluminio lacadas en negro, por un lado. Placas de aluminio sin lacar. Plaquitas de contacto de aluminio para colocar en las entalladuras circulares. Gancho de montaje para sacar los materiales murales de la abertura de la cámara de medición. Cables de conexión negros. Adaptador. Interfase Cassy Cable USB Computador

Fase II- Transferencia de calor por convección. Los materiales y equipos utilizados en las dos experiencias fueron los siguientes: -

Vaso de precipitados, 250ml. Pinza Universal. Trípode variable. Varilla soporte de 600mm. Nuez doble. Cuchara con mango de espátula. Mechero. Sedal. Permanganato potásico. Original de Espirales. Tijeras.

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6. TABLA DE RESULTADOS Tabla 1. Transferencia de calor por convección en una lámina de aluminio sin lacar. t (min) 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00

T1 (°C) 28,8 29 29,2 29,6 29,9 30 30,1 30,4 30,5 30,9 31,2 31,3 31,5 31,7 31,9 32 32,2 32,3 32,4 32,5 32,6

T2 (°C) 30,7 30,8 30,7 30,8 31 31,2 31,4 31,7 31,7 32,2 32,3 32,6 32,6 33 33,1 33,5 33,9 34 34,2 34,4 34,3

Calor Irradiado (Watt) 0,636 0,668 0,679 0,687 0,695 0,699 0,702 0,706 0,634 0,708 0,71 0,715 0,717 0,717 0,721 0,719 0,72 0,72 0,726 0,724 0,729

Flujo Neto de calor (Watt) 0,018 0,048 0,06 0,067 0,074 0,076 0,078 0,079 0,007 0,077 0,078 0,08 0,083 0,08 0,082 0,077 0,074 0,074 0,079 0,075 0,081

Tabla 2. Transferencia de calor por convección en una lámina de aluminio lacada.

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t (min) 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00

T1 (°C) 26,8 28 29,2 30,2 31,3 32 32,9 33,5 34,1 34,8 35,3 35,9 36,3 36,7 37,1 37,7 38 38,4 38,9 39,2 39,6

T2 (°C) 24,6 24,8 24,6 24,9 25 25,1 25,4 25,6 25,7 26 26,2 26,4 26,7 26,9 27,3 27,5 27,7 27,9 28,1 28,4 28,6

Calor Irradiado (Watt) 10,308 10,479 10,639 10,778 10,934 11,034 11,17 11,257 11,345 11,454 11,521 11,617 11,669 11,736 11,804 11,887 11,932 11,992 12,069 12,115 12,176

Flujo Neto de calor (Watt) 0,296 0,448 0,627 0,727 0,869 0,956 1,059 1,119 1,187 1,263 1,295 1,365 1,383 1,41 1,43 1,485 1,497 1,53 1,579 1,59 1,617

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En la siguiente tabla podemos observar los resultados obtenidos de la experiencia de transferencia de calor por radiación térmica, de esta manera podemos analizar el flujo de calor neto obtenido para una temperatura dada y un calor irradiado dependiendo del tipo de placa de estudio. En esta tabla también podemos observar el proceso de transferencia de calor en un tiempo de 10 minutos para cada placa con el fin de estudiar posteriormente el comportamiento en cuanto al flujo de calor y la radiación de cada cuerpo con respecto al tiempo. En esta experiencia manejamos algunas constantes como la constante de emisividad para cada objeto al momento de realizar la transferencia de calor por radiación térmica.

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7. OBSERVACIONES. Fase I- Transferencia de calor por radiación  De los datos obtenidos que se encuentran registrados en las tablas de resultados podemos establecer que el coeficiente de emisividad determina en gran medida el calor irradiado y el flujo de radiación, ya que este es una medida de la capacidad de un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica. De esta manera obtuvimos que el cuerpo negro o la placa lacada emitía una radiación térmica o un calor irradiado mayor que la placa sin lacar. Por consiguiente, los datos obtenidos de flujo de calor y el calor irradiado fueron directamente proporcional al coeficiente de emisividad de la placa, de esta manera la placa lacada por tener un coeficiente de emisividad de 1 obtuvimos una magnitud mayor en cuanto al calor irradiado y al flujo neto con respecto a la placa sin lacar.  También podemos observar que el flujo neto de calor es proporcional a la ganancia y a las perdía de calor en cuanto a la variación de la temperatura, de esta manera se puede observar que donde existió una mayor variación de la temperatura se obtuvo una magnitud mayor de flujo neto de calor trasmitido. Por consiguiente, el cuerpo negro presencio una variación elevada de la temperatura debido a su capacidad para absorber o emitir radiación, lo cual se manifestó en un flujo neto de calor mayor que el de la placa sin lacar.  Se observa que la temperatura máxima obtenida en el proceso de radiación térmica fue la de la placa lacada (negra), debido a que sus propiedades físicas o coeficiente de emisividad lo hacen radiador y absolvedor ideal, de esta manera parte de la energía que entra en forma de radiación es 100% absorbida por el cuerpo, obteniendo así la placa lacada una temperatura de 40ºC al final del proceso de radiación mayor que la obtenida por la placa sin lacar de 32ºC.  También se observó que la lámina de aluminio lacada (negra) se "enfría" más rápido que la brillante por medio de lo cual comprobamos que libera más rápido el calor. Debido a que la transmisividad de este tipo de cuerpos opacos es proporcional a la radiación que incide sobre un cuerpo, por lo cual el calor que es absorbido acaba transmitiéndose a través de él, casi en la misma proporción en la que se absorbió por lo cual su temperatura disminuye drásticamente como se observó en la tabla de resultado 2.

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Fase II- Transferencia de calor por convección (Fluido).  Lo que pudimos observar en el proceso de transferencia de calor por convención en un fluido fueron las corrientes de convención que se visualizaron gracias los cristales de permanganato, estableciendo así que cuando un recipiente con agua se calienta, la capa de agua que está en el fondo recibe mayor calor, por el calor que se ha trasmitido por conducción a través de la cacerola. Provocando así que el volumen aumente o el agua se dilate y, por lo tanto, disminuya su densidad, incitando a que esta capa de agua caliente se desplace hacia la parte superior del recipiente y parte del agua más fría baje hacia el fondo. El proceso descrito anteriormente se repitió varias veces hasta que se obtuvo un equilibrio térmico o se terminó de transferir calor, por lo cual siempre en un proceso de convención de un fluido existirá una trasferencia de masa en la cual las partículas del fluido caliente ascenderán por su variación de la densidad para que las partículas de fluido frías entren en calentamiento por conducción, generando así las corrientes de convención.

Imagen 4. Proceso de convección en un fluido

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Fase II- Transferencia de calor por convección (Gas).



Al igual que en el cuerpo de agua podemos observar que en todo proceso de transferencia de calor por convención existirá un movimiento de las partículas, por lo cual cuando el aire entra en contacto con el mechero se calienta por conducción y se expande, haciéndose menos denso que el aire frio circundante, obtenido como resultado el aire caliente se eleva y parte del aire frio se mueve horizontalmente para llenar el espacio, creando las corrientes de convención que se ven reflejadas en el movimiento de la espiral, a causa de que el aire más frio desciende y se establece el ciclo de convención térmica, que transfiere calor.

Imagen 5. Proceso de convección en un gas

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8.GRAFICO.

Grafica 1. Calor irradiado y flujo neto de calor con respecto al tiempo de la placa sin lacar. En la anterior grafica podemos observar que el comportamiento de transferencia de calor por radiación en una placa luminosa es casi lineal, indicándonos de que no existió una absorción y mucho menos una radiación eficiente del calor proyectado por la lámpara halógena, debido a que su bajo coeficiente de emisividad determina en gran medida su capacidad para absorber y emitir radiación. De esta manera la placada luminosa tiene un coeficiente de emisividad muy bajo que ocasiona que la energía que es trasmitida por radiación no sea totalmente absorbida y la variación de temperatura estudiada en esta placa sea poco significativa, por lo cual el flujo neto de calor es pequeño y poco cambiante manteniendo casi constante con respecto al tiempo.

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Grafica 2. Calor irradiado y flujo neto de calor con respecto al tiempo de la placa lacada(Negra). En la anterior grafica podemos observar que el comportamiento de transferencia de calor por radiación en una placa opaca tiende aumentar con respecto al tiempo, indicándonos de que existió una absorción y una radiación eficiente o ideal del calor proyectado por la lámpara halógena, debido a que su alto coeficiente de emisividad determina en gran medida su capacidad para absorber y emitir radiación. De esta manera la placa opaca tiene un coeficiente de emisividad muy alto que ocasiona que la energía que es trasmitida por radiación sea totalmente absorbida y la variación de temperatura estudiada en esta placa sea significativa, de esta manera el flujo neto de calor es grande y cambiante con respecto al tiempo en relación a la variación de la temperatura de la placa.

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9. CONCLUSIONES 

Mediante la practica realiza pudimos corroborar que cualquier qué cuerpo experimente una temperatura mayor al cero absoluto experimenta una radiación térmica.



También pudimos concluir que el coeficiente de emisividad de los materiales determinar en gran medida la capacidad de los cuerpos para absorber o irradiar calor, por lo cual en los resultados obtenidos el cuerpo opaco con mayor coeficiente de emisividad presencio un flujo neto de calor y una radiación de calor mayor con respecto a la placa luminosa.



También pudimos corroborar que el cuerpo más oscuro es mejor conductor de calor y a su vez es el cuerpo que mejor emite calor. De esta forma al comparar las gráficas de la experiencia (transferencia por radiación) concluimos que la placa sin lacar conduce menos calor que la placa lacada; y a su vez emite menos calor con respecto a la placa oscura.



De esta experiencia también podemos comprobar que, en un proceso de transferencia de calor por convección ya sea de líquidos y gases, siempre existirá una transferencia de masa, debido a la generación de corrientes de convección ocasionadas por la variación de la densidad ya sea del fluido y del gas.



Se puede concluir que al igual que la temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie, de esta manera si tenemos una placa negra, esta tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante o placa sin lacar. Así, la energía emitida por un filamento de aluminio lacado es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura.

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10. RESPUESTAS HOJA DE EVALUACIÓN. CALOR POR CONVECCIÓN. 1. Al agregar los cristales de permanganato de potasio al agua, ¿Qué observaste mientras se estaba calentando el agua? Se observó que cuando se estaba calentando el agua los cristales de permanganato de potasio subían hacia arriba quiere decir que se cumplía el concepto de calor por convección que sube el calor y el frio baja y se vuelve a repetir ese mismo ciclo. 2. Cuando colgaste el espiral del pasado y le colocaste el mechero en la parte de abajo ¿Qué observaste mientras el aire de los alrededores se iba calentando? Se observó que cuando se colocó el espiral bajo la mechera cuando el calor subía por medio de los espirales hacia girar el espiral, se cumplía el concepto de calor por convección que sube el calor y el frio baja y se vuelve a repetir ese mismo ciclo. 3. ¿Qué explicación podrías dar con respecto a lo observado en el punto 1? Teniendo en cuenta el fenómeno de la convección. Se cumplía el concepto de calor por convección que sube el calor y el frio baja y se vuelve a repetir ese mismo ciclo, ya que los cristales subían al llegar al fondo del recipiente de espiral. 4. ¿Qué explicación podrías dar con respecto a lo observado en el punto 2? Teniendo en cuenta el fenómeno de la convección. Se cumplía el concepto de calor por convección que sube el calor y el frio baja y se vuelve a repetir ese mismo ciclo, ya que cuando el calor subía por los espirales tenía la función que girara cuando se calentaba el aire. 5. Explica, ¿Por qué al colocar tu mano alrededor la llama de una vela no te quemas, pero al colocarla encima de la llama sí? Al poner la mano encima de una llama de una vela, una cerilla, etc. Como el calor sube hacia arriba, nos llega el aire caliente y nos quema la mano. Si la mano rodea la llama, la trasmisión por radiación es débil y tarda más en llegarnos el calor.

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6. Explica, ¿Por qué se enfría una corriente de aire que va subiendo hacia la atmosfera? Cuando una zona se calienta, el aire caliente se eleva y su lugar es ocupado por los aires más fríos y densos de las zonas próximas. A medida que el aire caliente sube se enfría y tiende a dirigirse al lugar que antes ocupaba el aire frío. Estas corrientes de aire denominadas corrientes de convección forman un ciclo cerrado que se denomina célula de convección. 7.

Diferencia entre radiación y convección.

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce fundamentalmente en fluidos líquidos o gases que transportan el calor entre zonas con diferentes temperaturas, mientras que la radicación es la transmisión de calor entre dos cuerpos a través de ondas electromagnéticas sin necesidad de algún medio natural. 8.

Diferencia entre los 3 fenómenos de transferencia de calor.

Conducción. Es la más sencilla de entender, consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos. Radiación. Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a B. Convección. En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o líquido) en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas. CALOR POR RADIACIÓN. 1.

¿De qué depende la energía irradiada por un cuerpo?

De la cantidad de energía cinética de las moléculas del cuerpo; esto es parte del concepto de calor, y la energía cinética es la energía de movimiento de las partículas de dicho cuerpo. Cuando es extremadamente alta irradia el calor y luz como lo ves en el fuego o metal al "rojo vivo", esto para materiales que comúnmente podemos observar, en el caso de cuerpos muy masivos como una estrella la energía cinética es tal que se producen fenómenos como la fisión nuclear, un mecanismo dentro del cual la radiación de energía es muy alta y en Página | 29

prácticamente todas las longitudes de onda de energía por lo cual tenemos luz visible y otras longitudes como ultravioleta, infrarrojo o yayos x. Resumiendo la energía de irradiación depende del estado del cuerpo, su energía cinética y el mecanismo por el cual se encuentra "caliente". 2. Define la ley de enfriamiento de Newton. Cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por conducción, convección y radiación es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio externo. 3. ¿Cuál sería la consecuencia de eliminar por completo el efecto invernadero? Sin los gases de efecto invernadero la Tierra sería un bloque de hielo, pero a mayor concentración de gases de efecto invernadero conlleva al calentamiento global. 4. Si todo está emitiendo energía continuamente, ¿Por qué no termina por acabarse la energía? La energía nuclear es hoy en día la única fuente capaz de suministrar grandes cantidades de electricidad sin contribuir de forma significativa al cambio climático. Al no generar dióxido de carbono, las centrales nucleares permiten ahorrar un 8% de las emisiones de CO2 a nivel mundial. En España, las plantas atómicas evitan la emisión anual de 40 millones de toneladas de dióxido de carbono, una cifra que equivale aproximadamente a las emisiones que realiza la mitad del parque automovilístico español. Además, nuestro país incumple de manera significativa, en un 37%, el compromiso adquirido en el Protocolo de Kioto, y sin las nucleares esta cifra estaría por encima del 50%. 5. Los termos se construyen con una pared doble y un espacio vacío entre ellas, ¿Cuál es la finalidad de este espacio? El termo debe reducir el intercambio de calor al máximo posible...el vidrio es mal conductor entonces aísla el exterior del interior. El vacío en el medio anula los intercambios por convección y conducción puesto que estos dos métodos necesitan materia para trasmitir el calor. Solo nos deja la radiación, ahí es donde el plateado aparece, reflejando los rayos. El calor emitido por el contenido del termo se refleja y no sale, mientras que el exterior no puede entrar porque el que trata de entrar es reflejado afuera 6. Explica ¿Por qué las noches de cielo despejado son más frías que las noches de cielo nublado? En realidad, la altura a la que te encuentres no influye, o no es un factor decisivo en si hace frío o no, factor importante sería la latitud a la cual te encuentras, por Página | 30

ejemplo, latitudes tropicales, polares, ecuatoriales, esto debido a que los rayos del sol no llegan de manera directa en zonas polares sino con cierto ángulo, mientras que en zonas ecuatoriales la luz incide de manera perpendicular al terreno, siendo mayor la energía con la que chocan. Otro factor son las condiciones climáticas las cuales dependen de lo anterior, así como de barreras orográficas para vientos tropicales por ejemplo, patrones de viento, etc., obviamente la estación climática en la que te encuentre hace variar las características del clima, esto es condicionado también por la posición de la Tierra con respecto al Sol, pues aparte de la rotación y la traslación, se presentan los ciclos de Milankovitch Precesión, Excentricidad y Oblicuidad, estos son los condicionantes de cambios en el clima global como las glaciaciones. El primero Precesión se debe al cambio de dirección en el eje de rotación de la Tierra, la Excentricidad se debe a la variación en la órbita gracias a la atracción de otros planetas y la Oblicuidad se debe a una variación en el eje de giro de la Tierra. Es así como en un lugar puede estar despejado y hacer frío o nublado y con calor 7. ¿Cuál es la finalidad de pintar la superficie de los termos de un color plateado? En vez de confiar solamente en un termo para aislar el interior del exterior, el envase sellado, de hecho, contiene un vacío. Un vacío no conduce calor en absoluto por conducción o convección, y la radiación, la otra forma de traspaso térmico, es mantenida al mínimo cubriendo las superficies internas del vacío con plata u otro metal reflexivo. El termo común, ese que utilizamos para mantener un litro de agua caliente, se trata de dos botellas de vidrio, una dentro de las otras separadas por un espacio totalmente estanco en el que se ha hecho un vacío total. La superficie interior del termo se ha espejado, aprovechando la propiedad que este tiene para impedir el paso del calor. El poco calor que pasa a través del espejo, se encuentra con el vacío de esa cámara y es sabido que en el vacío no hay transmisión de calor. De esa manera, la temperatura no tiene cómo salir al exterior. El punto débil del conjunto es, como es de suponer, el tapón. Pero, en términos generales, el grado de confiabilidad de un termo está dado por la separación entre los dos botellones y el grado de vacío que se haya logrado.

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11. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. o SERWAY Raymond a., VUILLE Chirs, Fundamentos de Física, Octava edición volumen 1. Pág. 133-160. o SERWAY Raymond a., VUILLE Chirs, Fundamentos de Física, Octava edición volumen 2. Pág. 210-212

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