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/