CALOR ABSORBIDO|DISIPADO Y CONVECCIN

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

IV. PROCEDIMIENTOMontaje 1: CALOR ABSORBIDO/DISIPADO

T.inicial=25CTabla 1 (mH2O) T0=25C

t(min)T(C)t(min)T(C)t(min)T(C)t(min)T(C)

0.5253.0405.5558.069

1.0273.5436.0588.571

1.5304.0466.5619.073

2.0334.5497.0649.575

2.5365.0527.56610.0

Repetir los pasos bajo las mismas condiciones anteriores; pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la anterior. Anote los datos de la tabla 2.T0 = 23Ct(min)T(C)t(min)T(C)

0.5243.561

1.0294.066

1.5364.571

2.0425.076

2.5485.5

3.0546.0

6) Grafique la variacin de temperatura T versus el tiempo t, para los 2 casos anteriores.

7) Determine la ecuacin de la grfica por el mtodo de mnimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75C Cmo identificara el lquido que tiene mayor masa?En la grfica Temperatura vs tiempo, se puede ver que la pendiente del que tiene menor masa, es mayor, respecto al otro que tiene mayor masa y es fcil encontrar la relacin, pues cuando se tiene mayor masa se requiere ms tiempo para calentarlo, entonces la pendiente ser menor, en cambio si se tiene menos masa toma menos tiempo calentarlo, por ende la pendiente ser mayor.Determine la cantidad de calor absorbido para cada casoTabla 1

Tabla 2

8) Vierta esta agua caliente en la probeta graduada hasta 200 ml. Luego virtalo en el vaso de espuma de poliuretano. Coloque un termmetro en el vaso de espuma y tome la temperatura del agua cada 10 s durante 4 minutos. Anote los datos en la tabla 3.

Tabla 03t(s)T(C)t(s)T(C)t(s)T(C)t(s)T(C)

107970771307519073

207980761407420072

307890761507421072

4078100761607422072

5078110751707323071

6077120751807324071

9) Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introdzcalo en el agua.10) Contine tomando la temperatura cada 10s, hasta 4 minutos despus que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4.

Tabla 04t(s)T(C)t(s)T(C)t(s)T(C)t(s)T(C)

106470631306019060

206380631406020060

306390621506021060

4063100611606022060

5063110611706023059

6063120601806024059

Determine el volumen final del agua Qu masa tena el agua originalmente? Qu masa tena el hielo originalmente?

Explique cmo determino estas masas:

Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se funda

,

Montaje 2: CONVECCION EN AGUA1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 400ml de agua.2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de permanganato de potsico.3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados4. Mientras se calienta, observe atentamente el agua coloreada.Anote sus impresiones Al estar el agua caliente y echar el permanganato potsico nos damos cuenta como en el interior del agua baja el agua ms fra y sube la ms caliente, es decir hay un flujo de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, mientras pasa el tiempo el agua se va tornando ms oscuro.En la figura 2, seale el camino recorrido por el agua coloreada. Explique lo que se observa mientras se calienta el agua. El agua a medida que el tiempo pasa se torna de un morado fuerte, las molculas se comienzan a separar, a expandir debido a la subida de temperatura por esto es que ocurre este fenmeno.

Montaje 3: CONVECCION EN AGUA1. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.1. Haga un nudo ene l sedal y pselo por un orificio previamente hecho en el centro del espiral. Figura 4.

1. Encienda el mechero con una llama baja.1. Cuelgue la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.1. Observe atentamente el fenmeno. Anote sus impresiones.

Primero colocamos el espiral que tiene sentido horario, y observamos que el sentido del giro tambin es horario.El espiral gira porque al encender el mechero se calienta el aire que est cercano a l, este al tener menor densidad asciende a zonas donde el aire es fro, cuando esto sucede el aire fro de mayor densidad desciende y ocupa el lugar del aire caliente, de esta manera se forma corrientes de aire que permite que el espiral gire.Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, el giro sera el mismo? Por qu?Cuando colocamos el otro espiral, observamos que este giraba en sentido antihorario. No tiene el mismo sentido de giro que el anterior, y esto se da porque la trayectoria que sigue el aire es distinta a la anterior.

1. Seale tres ejemplos en los que se observe este fenmeno.

Aire acondicionado con bomba de calor:En invierno realizar un proceso de conveccin forzada, absorbiendo el aire, filtrndolo y luego insertndolo nuevamente en nuestro entorno pero a una mayor temperatura. Y un sistema que se encargar de hacer todo lo contrario en verano, es decir, absorber el aire caliente, filtrarlo e introducirlo nuevamente a la dependencia pero a una menor temperatura.

Ventilador: En este caso el aire es obligado a moverse por la accin del ventilador. Se trata de un ejemplo de conveccin forzada.

Conveccin en la atmsfera: El aire circula por la atmsfera bajo los efectos de la conveccin. En zonas clidas, como los trpicos, se calienta y, por tanto, se eleva. Cuando se aleja de la superficie, se denomina rea de bajas presiones porque hay menos cantidad de aire presionando sobre la superficie que en otros lugares de la Tierra. Por el contrario, las capas fras que descienden hasta la superficie provocan una acumulacin de aire que da lugar a altas presiones sobre esos puntos del planeta. Las diferencias en la cantidad de aire (presin) hacen que ste se desplace desde las zonas de altas presiones hasta las zonas de bajas presiones. Es lo que denominamos circulacin del aire.

V. EVALUACION1. Si en lugar de agua, se utiliza otro liquido de mayor calor especfico, pero de igual masa, Cmo ser el grafico? Trcelo y descrbalo.Si sabemos que:El calor especfico es una magnitud fsica que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor especfico depende de dicha temperatura inicial.De forma anloga, se define la capacidad calorfica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).Por lo tanto, el calor especfico es el cociente entre la capacidad calorfica y la masa, esto es donde es la masa de la sustancia y C es la capacidad calorfica.Si el agua: c1: calor especfico. m1: masa del agua.De la ecuacin vemos que el calor especifico es inversamente proporcional a la masa y directamente proporcional a la capacidad calorfica.Sea otro lquido: c2: calor especfico. m1: masa de otro lquido.Segn la grfica de que realizamos observamos que a MENOR MASA MENOR PENDIENTE. 2>121>11 2>1 ; La capacidad calorfica del nuevo lquido ser mayor que el del agua. Lo cual concluyo que la pendiente del nuevo lquido va ser mayor ya que tiene que suministrar ms calor a la masa dada. Veamos la siguiente grfica.

2. Por qu en el ajuste de la grfica no se considera el intervalo de 75C a 100C?

No se considera este intervalo debido a que el experimento debe realizarse con una masa constante y a esta temperatura la masa deja de ser constante, puesto que comienza a existir un cambio de fase en el agua lo que la lleva a evaporarse.

3. Determine el flujo calorfico en cada caso. Fsicamente, a quin se debe dicho valor?

Para m=400g

Para m = 200g

4. Indique el tiempo que demor en recorrer el intervalo 80C y 85C. Revise el caso registrado entre 50C y 55C.

Para la tabla 1:Para el intervalo (80-85) es: 1 minuto 30 segundos aprox.Para la tabla 2:Para el intervalo (80-85) es: 30 segundos aprox.5. Qu relacin existe entre las pendientes de las diferentes grficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos?Como a mayor masa se requiere ms tiempo para llevar al agua a su punto de ebullicin, se requiere ms calor y la pendiente que forma es menor.Cuando la masa es menor, se requiere menos energa para llevar al agua a su punto de ebullicin y, a diferencia del otro, se forma una pendiente mayor.Entonces la relacin entre la cantidad de calor y la pendiente es inversamente proporcional.

6. Investigue y explique sobre la conveccin forzada, de un ejemplo de aplicacin.

Se dice que 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 travs de esta por algn equipo donde se hace variar la presin del fluido de trabajo.La conveccin forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie que se encuentra a una temperatura mayor o menor que la del fluido. Esa fuerzamotriz exterior puede ser un ventilador, una bomba, el viento, aplicacin de gradientes de presin con una bomba, un soplador, etc. Como la velocidad del fluido en la conveccin forzada es mayor que en la conveccin natural, se transfiere, por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura.

7. Los motores automotrices no pueden refrigerarse por si solos, Qu sistemas usan y que principio de propagacin usan para disipar la energa calorfica?

Por refrigeracin entendemos el acto de evacuar el calor de un cuerpo, o moderar sus temperaturas, hasta dejarla en un valor adecuado o constante.La temperatura que se alcanza en los cilindros, es muy elevada, por lo que es necesario refrigerarlos.

La refrigeracin es el conjunto de elementos, que tiene como misin eliminar el exceso de calor acumulado en el motor, debido a las altas temperaturas, que alcanza con las explosiones y llevarlo a travs del medio empleado, al exterior.La temperatura normal de funcionamiento oscila entre los 75 y los 90.

El exceso de calor producira dilatacin y como consecuencia agarrotara las piezas mviles.Por otro lado, estropeara la capa aceitosa del engrase, por lo que el motor se girara al no ser adecuado el engrase y sufriran las piezas vitales del motor.

En la refrigeracin por agua, est el medio empleado para la dispersin del calor, dado que al circular entre los cilindros por unas oquedades ubicadas en el bloque y la culata, llamadas cmaras de agua, recoge el calor y va a enfriarse al radiador, disipndola para volver de nuevo al bloque y a las cmaras de agua, y circular entre los cilindros.

Principio de propagacin:

Punto de congelacin.Debe de ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema, para evitar congelamientos en el evaporador. Calor especfico.Debe de ser lo ms alto posible para que una pequea cantidad de lquido absorba una gran cantidad de calor. Volumen especfico.-El volumen especfico debe de ser lo ms bajo posible para evitar grandes tamaos en las lneas de aspiracin y compresin Densidad.Deben de ser elevadas para usar lneas de lquidos pequeas. La temperatura de condensacin,a la presin mxima de trabajo debe ser la menor posible. La temperatura de ebullicin,relativamente baja a presiones cercanas a la atmosfrica. Punto crtico lo ms elevado posible. No deben ser lquidos inflamables, corrosivos ni txicos. Dado que deben interaccionar con el lubricante del compresor, deben ser miscibles en fases lquidas y no nocivas con el aceite. Los refrigerantes, se aprovechan en muchos sistemas para refrigerar tambin el motor del compresor, normalmente un motor elctrico, por lo que deben ser buenos dielctricos, es decir, tener una baja conductividad elctrica.8. En las minas subterrneas se presenta el problema de la circulacin de aire. Investigue que sistemas usan y con qu principio fsico se desarrollan.

El aire subterrneo est contaminado por gases peligrosos, como CO, NOx, y CO2, procedentes de los equipos movidos por motores diesel y de las voladuras; adems, se puede encontrar naturalmente en el suelo radn y metano (en las minas de carbn). La ventilacin consume una cantidad considerable de energa, normalmente 100 GWh/ao, lo que puede llegar a representar hasta 50 por ciento del consumo total de energa de una mina. En la actualidad, los ventiladores principales de la superficie suministran a la mina aire limpio que se distribuye bajo tierra mediante ventiladores o reguladores de aire; puede ser necesario calentar o enfriar el aire que entra. La tecnologa de vanguardia para el control es la ventilacin a demanda (VoD); sin embargo, muchas minas no disponen de control. Pero incluso la VoD tiene inconvenientes: no existe control de realimentacin y utiliza un modelo de relacin ventilador-regulador de aire complejo o dbil. La ventilacin adecuada es esencial para asegurar un entorno de trabajo saludable en una mina subterrnea; su propsito: distribuir aire limpio en las reas de produccin donde se encuentra el personal. Se trata de una funcin de apoyo que influye en gran medida en la productividad. La velocidad ptima de los ventiladores se determina con base en sus propiedades y en la demanda de aire en los diversos conductos. El nuevo mtodo para la ventilacin de las minas est inspirado por la metodologa MPC. Los problemas de las minas subterrneas desafan la tecnologa MPC, porque la mina cambia continuamente. Se abren nuevos tneles a la produccin y se cierran los que se encuentran fuera de explotacin. Cuando la mina se desarrolla, se aaden nuevos ventiladores y conductos de ventilacin. Tambin puede haber cambios inesperados de la estructura, por ejemplo, tras una voladura. Mediante una identificacin automatizada de sistemas, basada en datos operativos o en experimentos realizados, se puede ajustar fcilmente el modelo simple de relacin dinmica a las nuevas condiciones. En este caso se utiliza un modelo simple esttico multivariable, que pueda captar la interaccin esencial y el efecto de los cambios en los actuadores: dondeQes un vector del caudal de aire medido,es un vector de las presiones sobre los ventiladores,es un vector de las velocidades de los ventiladores yEun vector de las potencias de los ventiladores;seala los cambios entre dos muestras. Los coeficientes de las matricesHq, HpyHese obtienen a partir de experimentos sencillos o de datos normales de funcionamiento que permitan la automatizacin de la identificacin del sistema.

9. Se sabe que el sol est constituido por diversos gases, investigue usted cmo ocurre el transporte de energa a travs de l.Para entender cmo funciona nuestro Sol, ayuda imaginar al interior del Sol formado por diferentes capas, una dentro de la otra.Distinguimos las siguientes capas: El ncleo: Es la zona del Sol donde se genera la energa del Sol, que se produce por la fusin nuclear de 4 tomos de Hidrgeno que dan lugar a un tomo de Helio. Esta fusin se produce debido a la alta temperatura reinante en esa zona. La energa generada es llevada a la superficie del Sol, a travs de un proceso conocido como conveccin, donde se liberan luz y calor. Esta energa generada en el centro del Sol tarda un milln de aos en alcanzar la superficie solar. En el proceso se liberan unos 5 millones de toneladas de energa pura. Zona Radiactiva: Esta zona se encuentra inmediatamente sobre el ncleo. El transporte de energa se realiza a travs de los fotones que son constantemente absorbidos y remitidos continuamente hacia otras direcciones en su viaje hacia la superficie. Debido a que estos fotones son absorbidos continuamente y remitidos en otra direccin distinta a la que tenan, el viaje puede durar alrededor de unos 500.000 aos para cada partcula .Zona Convectiva: Esta zona se encuentra ms cerca de la superficie, y ocupa el ltimo tercio del radio solar. All la energa es transportada por la mezcla turbulenta de gases, o sea por conveccin, es decir columnas de gas caliente que suben a la superficie. La fotosfera es la superficie superior de la zona de conveccin. Se pueden ver pruebas de la turbulencia en la zona de conveccin observando la fotosfera y la atmsfera situada encima de ella. Fotosfera: Es una capa delgada, de unos 300 Km, que es la parte del Sol que nosotros vemos, la superficie. Desde aqu se irradia luz y calor al espacio. La temperatura es de unos 6.000C. Las partculas turbulentas confieren a la fotosfera le un aspecto irregular y heterogneo. Se observa una granulacin solar. Cromsfera: Esta capa slo puede ser vista cuando se tapa el disco solar como ocurre en los eclipses totales de Sol. Es de color rojizo, de densidad muy baja, de temperatura cercana a los 30.000C y campos magnticos intensos. Corona: Esta capa es de gran extensin ya que se observa a varios radios solares desde el disco y es visible durante un eclipse total o con el corongrafo. El aspecto de esta capa se debe al campo magntico presente en ella. La mayor parte de la corona se compone de grandes arcos de gas caliente. A uno o dos radios solares desde la superficie del Sol, el campo magntico de la corona tiene la fuerza suficiente para retener el material gaseoso y caliente de la corona en grandes circuitos. Cuanto ms lejos est del Sol, el campo magntico es ms dbil y el gas de la corona puede arrojar literalmente el campo magntico al espacio exterior. Cuando sucede esto, la materia recorre grandes distancias a lo largo del campo magntico. El flujo constante del material arrojado desde la corona es conocido como viento solar y suele llegar de las regiones denominadas agujeros de la corona. All, el gas es ms fro y menos denso que en el resto de la corona, produciendo una menor radiacin. El viento solar provoca alteraciones que se pueden detectar desde el campo magntico de la Tierra. TRANSPORTE DE ENERGA EN EL SOLLos procesos de fusin generan energa en el ncleo. Esta energa es transportada a la zona radiactiva por conduccin. En la zona convectiva la energa en cambio es transportada por conveccin, es decir por movimientos del fluido. Estos movimientos son: rotacin diferencial, flujo meridional y turbulencia.

VI. CONCLUSIONES

La conveccin es una forma de transferencia de calor, ya que al incrementarse la temperatura las molculas del fluido que se encuentran cercanas a la fuente de calor disminuyen su densidad, se vuelven ms livianas, y ascienden a zonas donde el fluido an esta fro y como estas tienen mayor densidad descienden y ocupan el lugar de las anteriores, se calientan y enseguida ascienden, formndose un ciclo de continua circulacin y de esta manera se va transfiriendo calor de las zonas calientes a las fras.

Las molculas del fluido que se encuentran cercanas a la fuente de calor, ganan calor por conduccin, mientras que las molculas que ascienden a la superficie pierden calor por radiacin, liberan calor al medio ambiente.

La conveccin se da solo en fluidos y hay dos tipos una natural y otra forzada. La primera se debe al incremento de temperatura y al desplazamiento de los fluidos debido a la variacin en sus densidades. Para la conveccin forzada se obliga al fluido fluir por la accin de medios externos como un ventilador, etc.

En el experimento del espiral el calor adems de calentar el aire tambin alarga el espiral de papel.

VII.OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Al momento de realizar el experimento con el permanganato potsico se recomienda agregar solo una pequea mucha cantidad de este, porque si se agrega mucha cantidad el agua se va pintar demasiado y no se podr observar la trayectoria que sigue al incrementarse la temperatura.El mechero se debe colocar justo debe del lugar donde se encuentra el permanganato potsico, para que esta rea sea la primera en calentarse y as poder observar la trayectoria que sigue.En el experimento con los espirales es recomendable tener la puerta cerrada, para evitar que entren corrientes de aire, ya que stos pueden alterar el sentido de giro del espiral.