UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS

LABORATORIO DE FISICA II

HOJA DE EVALUACION DE EXPERIENCIA DE LABORATORIO

Laboratorio:(N° y Titulo)

Alumno: Chavez Huamani, Damian Daniel

Grupo: Jueves

Horario: 8:00-10:00 a.m.

Fecha: 14 de junio del 2012

Criterios Puntos

A.Planificación de la investigación

A.1 Definición del problema de investigación y formulación de hipótesis

A.2 Selección, manipulación y diseño de método para el control de variables

A.3 Diseño de un método de obtención de datos y selección de equipo y materiales apropiados

B. Recolección de laInformación

B.1 Obtención y registro de datos brutos

B.2 Organización y presentación de datos brutos

C. Análisis de la información, SU procesamiento y planificación

C.1 Procesamiento de datos brutos

C.2 Presentación de los datos procesados

D. Conclusión y evaluación

D1. Extracción de conclusiones

D.2 Evaluación de procedimiento y resultados

D.3 Mejora de la investigación

NOTA DEL INFORME

EXPERIENCIA #8

1. TITULO: CALCULO DEL COMPORTAMIENTO DE LA ENERGIA TERMICA (CALOR ABSORBIDO /DISIPADO) PARA DIFERENTES CANTIDADES DE LIQUIDO.

2. RESUMEN: Se pudo analizar el como la energía térmica del agua varia cuando la una determinada masa también la hace, es decir cuando por ejemplo una masa de agua es calentada y luego, se calentamos la mitad. Luego se pudo apreciar como en un vaso de poliuretano caliente se agregó un cubito de hielo, observando su compartimiento con respecto al calor que disipo debido a su diferencia de temperatura y masa.

3. INTRODUCCION: Para esta experiencia, trataremos sobre el comportamiento de la energía térmica absorbida y/o disipada para diversas de cantidades de masas de un líquidos (agua). En efecto, el calor que un cuerpo gana o pierde viene dada por:

Donde:

O también, se puede usar la siguiente relación:

Donde:

Nota: (2) es una recta, donde es la pendiente de la recta y es el

intercepto.

4. METODO EXPERIMENTAL: En una primera parte (calor absorbido), se armó un equipo compuesto por un soporte universal y mechero con una gradilla; como se muestra a continuación:

Posteriormente se coloco un vaso precipitado en cima de la gradilla, como se aprecia.Un vaso precipitado con un volumen de 600ml de agua y a temperatura ambiente (21ºC). Se calentó a fuego lento y una distancia de aprox. 5cm entre la base del vaso y la punta del mechero. Una vez obtenidos los datos, se procedió a utilizar tan solo la mitad del volumen de agua en el vaso para repetir los mismos pasos mencionados.

Ya para el calor de calor disipado, se utilizo la misma agua caliente del experimento anterior (200 ml) y la vertió en vaso de espuma de poliuretano. Se midió la temperatura cada 10s durante 3minutos.Posteriormente se introdujo un cubito de hielo en el agua caliente y se midió su temperatura durante 3 minutos hasta que se fundió el hielo.

5. RESULTADOS Y DISCUSION: De la primera parte (calor absorbido) se obtuvo las siguientes tablas:

Tabla 1 (m=600g)

T(°C)

21 21.5 22 24 28 30 33 36 39 41 44

46 48 52 54 56 58 60 62 64 66 68 7072 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94

t(s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Figura 1

330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 102

0

Luego con la mitad de agua:

Tabla 2 (m/2=300g)

T(°C)

21 23 28 33 39 45 50 54 59 64 69

73 77 81 84 86 89 91 92 93 94 95

t(s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300330 360 390 420 450 80 510 540 570 600 630

Se determino la ecuación de la ecuación de la grafica, solo hasta 75°C.

Figura 2 (m=600g)

Figura 3 (m/2=300g)

Se puede apreciar que la grafica que tiene más masa tiene un pendiente mayor que la de menos masa (mitad). Como la masa es proporcional al calor, se puede comprobar que la cantidad de calor es el grafica que tiene mayor masa.

De la sección que trata del calor disipado se obtuvo las siguientes tablas:

Cuando el agua hasta caliente:

Tabla 3

T(°C)

72 70 69 68 68 67 67 66 66 65.5 65

65 64.5 64 64 63 63 62

t(s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 120 150180 210 240 270 300 330 360

Y después se sumerge un cubito de hielo en el agua caliente:

Tabla 4

T(°C)

55 50 45 41 39 38 37 36 36 35.5 35

35 35 35 35 35 35 35

t(s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110120 130 140 150 160 170 180

El hielo después de sumergirse en el agua caliente se fundo después aproximadamente 180s.

La masa inicial de agua fue:

La masa del cubito de hielo fue de:

Como el cubito de hielo se fundió en el agua aumento su volumen:

Como se pudo apreciar el cubito al ingresar en el agua que tenia una temperatura elevada este acelero su disminución debido a su diferencia de temperatura.

El calor total disipado del agua mientras el cubito de hielo se fundía:Según la ecuación:

Considerando

Entonces:

Luego el la cantidad total de calor perdido al enfriarse el agua debido al hielo fundido hasta su temperatura final.

6. EVALUACION:

1) ¿Cuál es la razón de que este experimento la temperatura no llega a 100°C?Debido a que nosotros no nos encontramos a condiciones atmosféricas normales (T=25°C y 1atm) la temperatura no llega a 100°C.

2) Para el caso del agua, aproximadamente a partir de 75°C la grafica Temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal ¿Por qué?Debido que a esa temperatura las moléculas se encuentran en una temperatura crítica que ya esta cerca de la fase vapor del agua.

3) Indique el tiempo que demoro en recorrer el intervalo 80°C y 85°C. Revise el caos registrado entre 50°C y 55°C.Casi 100s y el caos que se da entre 50-55°C se da debido a un reordenamiento molecular.

4) ¿Qué significado tiene los datos cuando la masa del agua es la mitad?Que cuando la masa es menor el calor absorbido es menor, debido a que son proporcionales la masa y el calor.

5) Compare los tamaños de los intervalos de temperatura para las masas m y m/2.Cuando hay más masa el cuerpo necesita mas calor que cuando es menor la masa.

7. CONCLUSIONES:

Se comprobó la relación entre las temperaturas de un cuerpo sumergido en agua fría (cubito de hielo) y el agua caliente

La relación entre la temperatura y el tiempo es proporcional ala masa que es calentada.

8. RECOMENDACIONES:

Al momento de calienta el agua, tener mucho cuidado porque podría causar quemaduras de gravad.

No dejar reposar el termómetro en el fondo del vaso que esta siendo calentado, porque pude romperse y causar muchos daños.

9. REFERENCIAS:

[1] Leyva Naveros Humberto: Física II, Ed. Moshera 2001[2] Rojas Saldaña Ausberto R.: Física II, Ed. San Marcos 2002

10.APENDICE:

Ajuste por mínimos cuadrados de la tabla 1:

t(s) T(°C) (t)(T) t2

0 21 0 030 21.5 645 90060 22 1320 36090 24 2160 8100

120 28 3360 14400150 30 4500 22500180 33 5940 32400210 36 7560 44100240 39 9360 57600270 41 11070 72900300 44 13200 90000330 46 15180 108900360 48 17280 129600390 52 20280 152100420 54 22680 176400450 56 25200 202500480 58 27840 230400

4080 653.5000 187575 1346400

Según la ecuación:

Remplazando:

Ajuste por mínimos cuadrados de la tabla 2:

t(s) T(°C) (t)(T) t2

0 21 0 030 23 690 90060 28 1680 360090 33 2970 8100

120 39 4680 14400150 45 6750 22500180 50 9000 32400210 54 11340 44100240 59 14160 57600270 64 17280 72900300 69 20700 90000330 73 24090 108900360 77 27720 129600390 81 31590 152100420 84 35280 176400450 86 38700 202500480 89 42720 230400

4080 975 289350 1346400

Según la ecuación:

Remplazando:

1. TITULO: CONVECCION, TRANSPORTE DEL CALOR EN FLUIDOS

2. RESUMEN: En el presente informe se pudo apreciar como los cristales de permanganato generan corrientes convectivas en el seno del vaso precipitado con agua por intermedio del calor al que es suministrado. También como un espiral de papel girando de acuerdo a la diferencia de presiones que se genera cuando el aire caliente asciende y el aire frio lo remplaza.

3. INTRODUCCION: El calor se propaga de tres diferentes maneras: conducción, convección y radiación. De las tres formas de propagación mencionada, la convección es la más eficiente; ésta se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. Para la presente experiencia se trato de analizar transporte de la energía calorífica en fluidos, como el agua y el aire.

4. METODO EXPERIMENTAL: En una primera parte de la práctica, en un vaso precipitado se calentó aproximadamente 200ml de agua, posteriormente se agregó algunos cristales de permanganato de potasio. Luego se calentó a fuego lento el vaso precipitado.

Figura 4

La figura muestra el primer montaje

Posteriormente en una segunda parte de la experiencia, se desgloso una de las figuras de espirales que se encuentran en la guía de laboratorio, se hizo un orificio en el espiral y se lo colgó justamente encima del vaso precipitado, al cual se le fue calentando a fuego lento.

5. RESULTADOS Y DISCUSION: Del primer montaje se pudo como el permanganato de potasio colorió el agua en un color azul intenso. Cuando se fue calentando se pudo observar como los cristales permanganato de potasio circulaban en el agua como una corriente convectiva, es decir la parte inferior que se iba calentando subía, y la parte las regiones de menor temperatura la tomaban su lugar, de esta forma circulaba por dentro del seno del agua.Del segundo montaje, cuando el agua calentó el vaso precipitado, el aire que estaba encima del vaso, también se fue calentando, y por consiguiente el aire caliente ascendía y el aire frio iba tomando su lugar, de esta manera generaba

Figura 5

La figura muestra el segundo montaje

una diferencia de presiones que hacia giran al espiral colgado justamente arriba del vaso. Si el espiral hubiese estado cortado de en otro sentida, igual hubiera girado.Este fenómeno tiene diferentes aplicaciones por ejemplo en la explicación de los vientos y en la formación de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc.

6. EVALUACION:

1) Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-atmosfera.También se denomina ciclo hidrológico al recorrido del agua en la atmósfera por la capacidad que tiene el agua de absorber calor y cederlo gracias a la capacidad que tiene de transformarse de un estado físico a otro. A grandes rasgos, el ciclo hidrológico funciona de la siguiente manera: los rayos solares calientan las superficies de las aguas marinas y terrestres las cuales, al absorber ese calor, pasan del estado líquido al gaseoso en forma de vapor de agua. El vapor asciende hasta cierta altura y al hacerlo, pierde calor, se condensa y forma las nubes, que están constituidas por gotas de agua muy pequeñas que se mantienen en suspensión a determinada altura. Cuando esta condensación se acelera, por el propio ascenso de la masa de nubes (convección), se forman nubes de mayor desarrollo vertical, con lo que las gotas aumentan de tamaño y forman las precipitaciones, que pueden ser tanto sólidas (nieve, granizo) como acuosas (lluvia), dependiendo de la temperatura. Estas precipitaciones pueden caer tanto en el mar como en las tierras emergidas. Por último, parte del agua que se precipita en los continentes e islas pasa de nuevo a la atmósfera por evaporación o produce corrientes fluviales que llevan de nuevo gran parte de las aguas terrestres a los mares y océanos, con lo que se cierra el ciclo, el cual vuelve a repetirse.

2) ¿Qué sucede en nuestro fenómeno del niño?El Niño es un fenómeno climático que consiste en un cambio en los patrones de movimiento de las corrientes marinas en la zona intertropical provocando, en consecuencia, una superposición de aguas cálidas procedentes de la zona del hemisferio norte inmediatamente al norte del ecuador sobre las aguas de emersión muy frías que caracterizan la corriente de Humboldt; esta situación provoca estragos a escala zonal (en la zona intertropical) debido a las intensas lluvias, afectando principalmente a América del Sur, tanto en las costas atlánticas como en las del Pacífico

3) ¿Qué son los vientos alisios? ¿Qué fenómenos los producen?Sistema de vientos relativamente constantes en dirección y velocidad que soplan en ambos hemisferios, desde los 30° de latitud hacia el Ecuador con dirección noreste en el hemisferio norte y sureste en el hemisferio sur. El fenómeno más característico que van a producir los vientos alisios es el conocido ‘mar de nubes’, el cual se sitúa en las vertientes orientadas al norte de aquellas islas que superan los 1.500 metros de altitud

4) Se sabe que el Sol esta constituido por diversos gases, investigue usted como ocurre el transporte de energía a través de él. Tal transporte se da en la zona convectiva, esta región se extiende por encima de la zona radiante, y en ella los gases solares dejan de estar ionizados y los fotones son absorbidos con facilidad y se convierten en un material opaco al transporte de radiación. Por lo tanto, el transporte de energía se realiza por convección, de modo que el calor se transporta de manera no homogénea y turbulenta por el propio fluido. Los fluidos se dilatan al ser calentados y disminuyen su densidad. Por lo tanto, se forman corrientes ascendentes de material desde la zona caliente hasta la zona superior, y simultáneamente se producen movimientos descendentes de material desde las zonas exteriores frías. Así, a unos 200 000 km bajo la fotosfera del Sol, el gas se vuelve opaco por efecto de la disminución de la temperatura; en consecuencia, absorbe los fotones procedentes de las zonas inferiores y se calienta a expensas de su energía. Se forman así secciones convectivas turbulentas, en las que las parcelas de gas caliente y ligero suben hasta la fotosfera, donde nuevamente la atmósfera solar se vuelve transparente a la radiación y el gas caliente cede su energía en forma de luz visible, y se enfría antes de volver a descender a las profundidades.

7. CONCLUSIONES:

La convección es una forma muy eficiente de transporte de energía. Es muy importante en el la ciclo hidrobiológico, en la formación de

vientos, etc. EL Sol también utiliza este fenómeno, ya que transporta su energía

luminosa a grandes distancias

8. RECOMENDACIONES:

No colgar los espirales de papel muy cerca del agua caliente porque puede arder.

Cuando se utiliza el permanganato de potasio, no utilizar demasiado porque puede interferir en el movimiento que se busca.

Al manipular el agua caliente, hacerlo con sumo cuidado porque de caer en las manos, podría causar quemaduras.

9. REFERENCIAS:

[1] Leyva Naveros Humberto: Física II, Ed. Moshera 2001

[2] Rojas Saldaña Ausberto R.: Física II, Ed. San Marcos 2002

10.APENDICE: CONVECCION, CONCEPTOS Y DEFINICIONESLa convección es el mecanismo transferencia de calor a través de un fluido con movimiento masivo de éste. En la convección existe movimiento del fluido a nivel macroscópico mientras que en la conducción existe movimiento a nivel microscópico, atómico o molecular, pero no a nivel macroscópico, entendiendo como nivel macroscópico movimiento de volúmenes relativamente grandes del fluido.

La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio.

La convección forzada se clasifica a su vez en externa e interna dependiendo de si el flujo de fluido es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal confinado (superficie interior) o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie (placa, alambre, exterior de un tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno si ese fluido está limitado por completo por superficies sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese tubo está parcialmente lleno con el líquido y se tiene una superficie libre.

La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección que por conducción. Cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor.

La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran: la viscosidad dinámica m, la conductividad térmica k, la densidad r. También se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática n, puesto que n = m /r. Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección.

En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por convección siempre es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se modela matemáticamente mediante la Ley de Enfriamiento de Newton: q-punto = h (Ts - Tf) o Q-punto = h As (Ts - Tf) donde Ts es la temperatura de la superficie en contacto con el fluido y Tf es

la temperatura del fluido lo suficientemente lejos de dicha superficie. La influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por convección (h).

NÚMEROS ADIMENSIONALES 

En el análisis de la convección es práctica común quitar las dimensiones a las expresiones físico-matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los números adimensionales. En convección se emplean los siguientes números adimensionales:

 A) Número de NUSSELT (Nu).- Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción.-- Se considera una capa de fluido de espesor L con sus superficies a diferentes temperaturas T1 y T2, T1 > T2, DT = T1 - T2, como se muestra en la figura: 

El flujo de calor debido a la convección será: q-punto convección = h DT , mientras que el flujo de calor si sólo existiera conducción sería q-punto conducción = k ( DT / L ). Dividiendo ambas expresiones:

En general:   donde Lc es la longitud característica.

Para un tubo circular:   donde D es el diámetro interior del tubo.

-- Para un tubo no circular: 

Donde: Dhid es el diámetro hidráulico = (4 Ac) / p;Ac: área de la sección transversal del tubo;p: perímetro de la sección transversal.

-Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convección.-Un número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.-El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural

 

B ) Número de PRANDTL ( Pr ) .- Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica:

El número de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una velocidad similar. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos (Pr << 1) y con mucha lentitud en los aceites (Pr >> 1) en relación con la cantidad de movimiento. Esto indica que la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidos y mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de velocidad. Cuanta más gruesa sea la capa límite térmico con mayor rapidez se difundirá el calor en el fluido.

- El número de Prandtl se emplea tanto en convección forzada como natural.

  C) Número de REYNOLDS (Re).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.

- Donde Uf es la velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada de la superficie.- Lc es la longitud característica: para una placa plana Lc = distancia al borde de ataque de la placa. Para un tubo de sección circular Lc = Diámetro ( D ). Para un tubo de sección no circular Lc = Diámetro hidraúlico ( Dhid ).- n es la viscosidad cinemática.

- Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento.- Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar. 

- El valor del número de Reynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el número crítico de Reynolds. Este valor crítico es diferente para las diferentes configuraciones geométricas. - Para una placa plana Re crítico = 5 E5. - Para tubos: si Re < 2300 el flujo es laminar. Si 2300 < Re < 10000 el flujo es de transición. Si Re > 10000 el flujo es turbulento.

- El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada.

 

D) Número de GRASHOF (Gr).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de empuje y las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es un indicativo del régimen de flujo en convección natural, equivalente al número de Reynolds en convección forzada. 

- Donde g es la aceleración de la gravedad.- b es el coeficiente de expansión volumétrica de una sustancia; representa la variación de la densidad de esa sustancia con la temperatura a presión constante. Para un gas ideal b = 1 / T; T es la temperatura absoluta en K.- Lc es la longitud característica. Para una placa vertical del longitud L , Lc = L. Para un cilindro de diámetro D, Lc = D.- n es la viscosidad cinemática.

- El número de Grashof sólo se utiliza en convección natural.

 

E) Número de RAYLEIGH (Ra).- Es función del número de Grashof y del número de Prandtl. Su valor es el número de Grashof multiplicado por el número de Prandtl.

- El número de Rayleigh sólo se utiliza en convención natural.