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INFORME: INFORME DE FIISICA II
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE
SAN MARCOS
Facultad de Ingeniería Industrial
Laboratorio de física ii
CALOR ABSORBIDO, DISIPADO Y CONVECCIÓNExperiencia Nro. 8:
Profesor: Avendaño Quiñones, Víctor
Alumno: Aponte Hurtado, Rosa
Código: 14170242
Horario: Martes 8-10pm
2015
I. OBJETIVOS:
Tensión Superficial
⦁ Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada
por una sustancia líquida.
⦁ Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbida/disipada para
diferentes proporciones del líquido.
⦁ Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos.
II. MATERIALES Y EQUIPOS:
CALOR ABSORVIDO/DISIPADO
⦁ 1 Mechero bunsen
⦁ 1 Soporte Universal
⦁ 1 Clamp
⦁ 1 Termómetro
⦁ 1 Agitador
⦁ 1 Vaso de precipitado de 500 ml
⦁ 1 vaso de precipitado de 200 ml
⦁ Papel milimetrado
⦁ Papel Toalla
CONVECCIÓN
⦁ 1 Mechero bunsen
⦁ 1 Soporte Universal
⦁ 1 Pinza universal
⦁ 1 Vaso de precipitado de 200 ml
⦁ 1 Cuchara de mango
⦁ Permanganato de potasio
⦁ Espiral de papel preparado
III. MARCO TEORICO:
Tensión Superficial
⦁ CALOR
El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre
diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a
distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término
calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre
desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura,
ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en
equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se
entibia).
⦁ CALOR ABSORBIDO Y CALOR DISIPADO
La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente
proporcional a su variación de temperatura:
(1)
Donde:
Ce: Calor específico
T0: Temperatura inicial de referencia
T: Temperatura final
El suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo,
corresponde a que éste recibe un flujo calorífico H.
Si el flujo es constante:
α m(T-T0)
= Ce m(T-T0)
De 1 y 2 se tiene:
(3)
Luego
Integrando e iterando se tiene
La ecuación 3 obtenida relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función
lineal, donde H/mc representa la pendiente y la temperatura inicial.
Si el cuerpo se encuentra en su sistema adiabático, el trabajo de dilatación
se realiza a expensas de la energía interna.
⦁ Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo en un
proceso no coincide con el trabajo realizado; la energía adquirida de esta
manera se denomina cantidad de calor, es positiva cuando absorbe calor y
negativa cuando disipa calor
⦁ La energía interna del cuerpo aumenta a costa de la cantidad de calor
adquirida y disminuye a costa del trabajo realizado por el cuerpo (principio de
conservación de la energía en los procesos térmico). Se le conoce como la
primera ley de la termodinámica, y se expresa como:
Η = dQdt =cte
Η = dQdt =mcdTdt
dT = Ηmc dt
∫t
T
dT = ∫0
tΗmcdt T= Η
mct + T0
dU = dQ - Pdv
⦁ FORMAS DE PROPAGACIÓN DE CALOR
La propagación del calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía
en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un
mismo cuerpo que tienen diferente temperatura.
Existen tres formas de propagación del calor que son por: conducción,
convección y radiación y que a veces puede producirse en forma combinada.
- Conducción
Esta forma de propagación se da en los sólidos, cuando se aplica calor a un
objeto sólido, la zona donde absorbe calor se calienta y sus
Partículas adquieren mayor movilidad que el resto del cuerpo y cada
Tabla: Efecto del aire en movimiento sobre la temperatura (tomada de Kane y
Sternheim)
Como muestra esta tabla, un cuerpo desnudo puede enfriarse en 1 minuto a
una temperatura efectiva de -30°C moviéndose, por ejemplo, a 40 km/h en aire
a -10°C (algo que puede ocurrir al esquiar, por ejemplo). Las temperaturas
menores a -60°C son extremadamente peligrosas, pues la congelación puede
sobrevenir en segundos.
DESCRIPCIÓN DE CONVECCIÓN EN EJEMPLOS
1. Calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más
próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por
conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad
disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del
fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de
circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción,
mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su
calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
2. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara
de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el
aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende,
mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende,
lo que produce un movimiento de circulación.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la guía.
MONTAJE 2
3. En el vaso de precipitados vierta alrededor de
200 ml de agua.
4. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos
cristales de Permanganato potásico.
5. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso
de precipitados.
6. Mientras se calienta, observe atentamente el agua coloreada.
Anote sus impresiones.
Mientras se calienta se observó que el agua coloreada asciende hasta alcanzar
la superficie, se enfría y enseguida desciende.
7. Dibuje, esquemáticamente, con líneas punteadas como el agua sube y
baja. Explique lo que observa mientras se calienta el agua.
Al incrementarse la temperatura el agua coloreada que se encuentra en la base
del recipiente disminuye su densidad, por lo tanto asciende a la superficie, se
enfría, incrementa su densidad y desciende por otro lado hacia el fondo del
recipiente, luego nuevamente el agua coloreada disminuye su densidad como
consecuencia del incremento de la temperatura y enseguida asciende,
observando de esta manera como el agua coloreada asciende y desciende con
movimientos en forma de círculos, hasta que se retire la fuente de calor.
MONTAJE 3
1. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.
2. Haga un nudo ene l sedal y páselo por un orificio previamente hecho
en el centro del espiral. Figura 4.
3. Encienda el mechero con una llama baja.
4. Cuelgue la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero.
5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones.
Primero colocamos el espiral que tiene sentido horario, y observamos que el
sentido del giro también es horario.
El espiral gira porque al encender el mechero se calienta el aire que está
cercano a él, este al tener menor densidad asciende a zonas donde el aire es
frío, cuando esto sucede el aire frío 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 sería el
mismo? ¿Por qué?
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.
6. Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno.
A. Aire acondicionado con bomba de calor: En invierno realizará un
proceso de convección forzada, absorbiendo el aire, filtrándolo y luego
insertándolo nuevamente en nuestro entorno pero a una mayor
temperatura. Y un sistema que se encargará 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.
B. Ventilador: En este caso el aire es obligado a moverse por la acción del
ventilador. Se trata de un ejemplo de convección forzada.
C. Convección en la atmósfera: El aire circula por la atmósfera bajo los
efectos de la convección. En zonas cálidas, como los trópicos, se
calienta y, por tanto, se eleva. Cuando se aleja de la superficie, se
denomina área 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 frías que descienden hasta la superficie provocan
una acumulación de aire que da lugar a altas presiones sobre esos
puntos del planeta. Las diferencias en la cantidad de aire (presión)
hacen que éste se desplace desde las zonas de altas presiones hasta
las zonas de bajas presiones. Es lo que denominamos circulación del
aire.
Debido a la rotación de la Tierra, el viendo no circula en línea recta desde la
zona de altas presiones a la de bajas presiones. La rotación hace que se
desvíe y adopte una trayectoria curva.
AUTOEVALUACIÓN
Respecto a los fenómenos realizados en el laboratorio.
1).Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-
atmósfera.
Las interacciones entre la atmósfera y el océano son complejas y en
muchos casos es difícil establecer causa y efecto. La circulación del océano
depende principalmente de dos factores atmosféricos: el viento y el
calentamiento del agua de mar.
El océano, que puede almacenar calor en mucha mejor forma que la
atmósfera o que la tierra firme, absorbe más calor por unidad de área en la
zona ecuatorial que en los polos. Este calor será transferido a las áreas más
frías del océano mediante convección o movimiento del agua.
La capacidad de almacenamiento de calor del océano es muy importante
para modificar e influenciar el clima continental.
El viento que sopla sobre el océano genera olas, mezcla las aguas
superficiales y extrae vapor de agua desde la superficie del mar.
El vapor de agua es llevado a la atmósfera por evaporación y,
eventualmente, transferido a la tierra por precipitación. Este ciclo, llamado el
ciclo hidrológico, se completa cuando el agua retorna al océano.
Cerca de la costa, el viento puede causar que las aguas superficiales se
desplacen mar afuera y sean reemplazadas por aguas más profundas y
más frías, ricas en nutrientes. Esta surgencia puede producir ricas áreas de
pesca, debido a que transporta nutrientes a las aguas superficiales.
Figura.Circulación océano-atmósfera
Los océanos influyen el clima terrestre a través de su intercambio con la
atmosfera de grandes cantidades de calor, humedad y gases como el dióxido
de carbono.
2.¿Qué sucede en nuestro medio durante el fenómeno del niño?
El fenómeno del niño es un fenómeno climático cíclico que provoca
estragos a nivel mundial, siendo las más afectadas América del Sur y las
zonas entre Indonesia y Australia, provocando con ello el calentamiento de
las aguas sudamericanas.
El fenómeno del niño se presenta cuando, las dos corrientes: la corriente
peruana y la corriente del niño, se juntan, provocando un desorden, en el
clima y en el agua de nuestro litoral.
Durante el Niño los vientos alisios dejan de soplar, la máxima temperatura
marina (el agua caliente) se desplaza hacia la Corriente de Perú, que es
relativamente fría, y la mínima temperatura marina se desplaza hacia el
Sudeste Asiático. Esto provoca el aumento de la presión atmosférica en el
sudeste asiático y la disminución en América del Sur. Todo este cambio
ocurre en un intervalo de seis meses, que representa aproximadamente
desde junio a noviembre es muy fuerte con alteraciones en el clima.
Este cambio climático hace que las aguas eleven su temperatura quitándole
los nutrientes y desplazando el ecosistema que teníamos, esto es la
desaparición de la mayoría de los peces que estaban destinados a la pesca,
aunque en su reemplazo aparecieron otro tipo de peces de agua cálida
como la sardina.Incluso altera la presencia de aves marinas y la salud de
los arrecifes de coral. Por otro lado, las precipitaciones avanzan por la costa
americana, y pueden llegar a producir inundaciones y tormentas tropicales.
Manifestación del Fenómeno "El Niño" en nuestro medio
En el Perú, los efectos del fenómeno "El Niño" se hacen más evidentes en
zonas comprendidas por los departamentos de Tumbes, Piura y Lambayeque
(norte del país), ocasionando el aumento de la temperatura del mar entre 28° a
33°C, cuando normalmente en época de verano llega hasta 24°C; siendo el
común denominador la aparición de diversas especies marinas propias de
aguas tropicales y la desaparición de otras especies típicas de la zona; aunque
también en los eventos recientes de las últimas dos décadas se ha observado
manifestaciones en la zona central costera y también en el altiplano. Sin
embargo, la presencia de cada evento tiene su propia particularidad, la misma
que difiere de otros eventos.
Las alteraciones climáticas acompañadas con abundantes precipitaciones,
ocasionan cambios en los ecosistemas marinos y terrestres, trayendo como
consecuencia una secuela de destrucción en el aparato productivo, en la
pesquería, agricultura, transporte, comercio, infraestructura costera, industria,
salubridad, y otras actividades conexas.
3. ¿Qué son los vientos alisios? ¿Qué fenómenos los producen?
Los vientos alisios son un sistema de vientos relativamente constantes en
dirección y velocidad que soplan en ambos hemisferios. Circulan entre los
trópicos, desde los 30-35º de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las
altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El
movimiento de rotación de la Tierra desvía a los alisios hacia el oeste, y por
ello soplan del nordeste al sudoeste en el hemisferio norte y del sudeste
hacia el noroeste en el hemisferio sur.
Formación
En el Ecuador se produce un ascenso masivo de aire caliente, originando
zonas de bajas presiones que vienen a ser ocupada por otra masa de aire que
proporcionan los alisios. Las masas de aire caliente que suben se van
enfriando paulatinamente, y se dirigen en altura en sentido contrario a los
alisios, hacia las latitudes subtropicales, de donde proceden éstos. Los vientos
alisios son parte de la circulación de Hadley que transporta el calor desde las
zonas ecuatoriales hasta las subtropicales reemplazando el aire caliente por
aire más frío de las latitudes superiores. La rotación terrestre produce la
desviación hacia el oeste de estos vientos, desviación que se conoce como el
efecto de Coriolis, cuyo nombre procede de GaspardCoriolis, un científico
francés que describió este proceso.
La circulación de Celda Hadley involucra aire que sube cerca del ecuador,
fluyendo horizontalmente en dirección a los polos norte y sur, descendiendo
hacia la superficie de la tierra en el subtrópico, y regresando por la
superficie de la Tierra hacia el ecuador. Esto produce los vientos conocidos
como vientos alisios y vientos del este.
4. Se sabe que el sol está constituido por diversos gases,
investigue usted cómo ocurre el transporte de energía a través
de él.
Para entender cómo funciona nuestro Sol, ayuda imaginar al interior del Sol
formado por diferentes capas, una dentro de la otra.
Distinguimos las siguientes capas:
El núcleo: es la zona del Sol donde se genera la energía del Sol, que se
produce por la fusión nuclear de 4 átomos de Hidrógeno que dan lugar a un
átomo de Helio. Esta fusión se produce debido a la alta temperatura reinante
en esa zona. La energía generada es llevada a la superficie del Sol, a través de
un proceso conocido como convección, donde se liberan luz y calor. Esta
energía generada en el centro del Sol tarda un millón de años en alcanzar la
superficie solar. En el proceso se liberan unos 5 millones de toneladas de
energía pura.
Zona Radiactiva: Esta zona se encuentra inmediatamente sobre el núcleo. El
transporte de energía se realiza a través de los fotones que son
constantemente absorbidos y reemitidos continuamente hacia otras direcciones
en su viaje hacia la superficie. Debido a que estos fotones son absorbidos
continuamente y reemitidos en otra dirección distinta a la que tenían, el viaje
puede durar alrededor de unos 500.000 años para cada partícula.
Zona Convectiva: Esta zona se encuentra más cerca de la superficie, y ocupa
el último tercio del radio solar. Allí la energía es transportada por la mezcla
turbulenta de gases, o sea por convección, es decir columnas de gas caliente
que suben a la superficie. La fotosfera es la superficie superior de la zona de
convección. Se pueden ver pruebas de la turbulencia en la zona de convección
observando la fotosfera y la atmósfera 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 aquí se irradia luz y calor al espacio. La
temperatura es de unos 6.000°C. Las partículas turbulentas confieren a la
fotosfera le un aspecto irregular y heterogéneo. Se observa una granulación
solar.
Cromósfera: Esta capa sólo 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 al 30.000ºC y campos magnéticos intensos.
Corona: Esta capa es de gran extensión ya que se observa a varios radios
solares desde el disco y es visible durante un eclipse total o con el coronógrafo.
El aspecto de esta capa se debe al campo magnético 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 magnético de la
corona tiene la fuerza suficiente para retener el material gaseoso y caliente de
la corona en grandes circuitos. Cuanto más lejos está del Sol, el campo
magnético es más débil y el gas de la corona puede arrojar literalmente el
campo magnético al espacio exterior. Cuando sucede esto, la materia recorre
grandes distancias a lo largo del campo magnético. 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. Allí, el gas es más frío y
menos denso que en el resto de la corona, produciendo una menor radiación.
El viento solar provoca alteraciones que se pueden detectar desde el campo
magnético de la Tierra.
TRANSPORTE DE ENERGÍA EN EL SOL
Los procesos de fusión generan energía en el núcleo. Esta energía es
transportada a la zona radiactiva por conducción. En la zona convectiva la
energía en cambio es transportada por convección, es decir por movimientos
del fluido. Estos movimientos son: rotación diferencial, flujo meridional y
turbulencia.
CONCLUSIONES
1) La convección es una forma de transferencia de calor, ya que al
incrementarse la temperatura las moléculas del fluido que se encuentran
cercanas a la fuente de calor disminuyen su densidad, se vuelven más
livianas, y ascienden a zonas donde el fluido aún esta frío y como estas
tienen mayor densidad descienden y ocupan el lugar de las anteriores,
se calientan y enseguida ascienden, formándose un ciclo de continua
circulación y de esta manera se va transfiriendo calor de las zonas
calientes a las frías.
2). Las moléculas del fluido que se encuentran cercanas a la fuente de calor,
ganan calor por conducción, mientras que las moléculas que ascienden a la
superficie pierden calor por radiación, liberan calor al medio ambiente.
3). La convección 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 variación en sus densidades. Para la convección
forzada se obliga al fluido fluir por la acción de medios externos como un
ventilador, etc.
4). En el experimento del espiral el calor además de calentar el aire también
alarga el espiral de papel.
OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES
1. Al momento de realizar el experimento con el permanganato potásico se
recomienda agregar solo una pequeña mucha cantidad de este, porque si se
agrega mucha cantidad el agua se va pintar demasiado y no se podrá observar
la trayectoria que sigue al incrementarse la temperatura.
2. El mechero se debe colocar justo debe del lugar donde se encuentra el
permanganato potásico, para que esta área sea la primera en calentarse y así
poder observar la trayectoria que sigue.
3. En el experimento con los espirales es recomendable tener la puerta
cerrada, para evitar que entren corrientes de aire, ya que éstos pueden alterar
el sentido de giro del espiral.
BIBLIOGRAFÍA
CONVECCIÓN
http://esamultimedia.esa.int/HSO/Convection_Sec_ES.pdf
CIRCULACIÓN DE LOS OCEANOS
http://meteo.fisica.edu.uy/Materias/climatologia/
INTERACCIÓN OCÉANO-ATMÓSFERA
http://www.cienciorama.ccadet.unam.mx/articulos_extensos/
CELDA HADLEY
http://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/
FENÓMENO EL NIÑO
http://www.elclima.com.mx/fenomeno_el_nino.htm
EL NIÑO
http://www.naylamp.dhn.mil.pe/nino/mainFrame.htm
SOL:COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA
http://www.megasistemasolar.edu.ar/