PRACTICA Nº 4. INTRODUCCION A LA TERMICA(PRE-LABORATORIO)

I. OBJETIVOS:

El alumno al final de la práctica debe ser competente en:

Interpretar graficas en escalas lineales,y escalas semilogaritmicas Analizar la disminución de la temperatura usando la ley de enfriamiento de Newton.

Conocer los modos de transmisión de calor.

Diferenciar los conceptos de temperatura y calor

Conocer la perdida de calor a través de un cilindro de material conocido empleando la ley de Fourier

Conocer el comportamiento de un material por medio del modo de conveccion.

Conocer el comportamiento de un material por medio del modo de radiación

II CONOCIMIENTOS REQUERIDOS

Linealización de gráficos Temperatura.

Calor.

Modos de calor.

Conducción de calor.

Conveccion de calor.

Radiación de calor.

III MATERIALES Y EQUIPOS

LABORATORIO

Termómetros Recipiente para calentar agua

Termo

Cronómetros

Velas

Hornilla

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALPOLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA

NUCLEO EDO. TÁCHIRACICLO BASICO DE INGENIERIA

Mecanismo de Conducción de calor

Mecanismo de Conveccion de calor

Mecanismo de Radiación de calor

Vernier

ALUMNO

Deben traer por grupo:

Papel milimetrado Papel semilogaritmico

Regla graduada

Calculadora

Hojas tipo carta

Memoria o diskette

QUE ES LA TEMPERATURA

Los átomos y moléculas en una sustancia no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energía (energía de movimiento) en las moléculas. En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven rápido y otras más lentamente

La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia., la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de una taza de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que la taza.

Resumen: La temperatura es una medida de la energía media de las moléculas en una sustancia y no depende del tamaño o tipo del objeto.

COMO MEDIMOS LA TEMPERATURA

Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura. A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.

Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los países y en

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todas las aplicaciones científicas. Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de temperatura es la siguiente:

oK = 273.15 + oC        oC = (5/9)*(oF-32)        oF = (9/5)*oC+32

A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y no hay calor. Es cuando todo el movimiento atómico y molecular se detiene y es la temperatura más baja posible. El cero absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius o -460 grados Fahrenheit.

Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor.

Si queremos entender qué significa la temperatura a nivel molecular debemos recordar que la temperatura es la energía media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energías entre ellas En un objeto frío las moléculas se mueven lentamente y en uno caliente se mueven deprisa. Cuando dos objetos se ponen en contacto sus movimientos moleculares medios se igualan y cuando esto ocurre se dice que han alcanzado equilibrio térmico.

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON

El nombre de Isaac Newton (1641-1727) es ampliamente reconocido por sus numerosas contribuciones a la ciencia. Newton observo que al calentar al rojo un bloque de hierro y tras retirarlo del fuego, el bloque se enfriaba más rápidamente cuando estaba muy caliente, y más lentamente cuando su temperatura se acercaba a la temperatura del aire. Sus observaciones dieron lugar a lo que hoy conocemos con el nombre de Ley de Enfriamiento de Newton. La ley de enfriamiento de Newton se escribe como:

(1)

Donde la derivada de la temperatura respecto al tiempo dT/dt representa la rapidez del enfriamiento, T es la temperatura instantánea del cuerpo, k una constante que define el ritmo de enfriamiento y To es la temperatura ambiente, que es la temperatura que alcanza el cuerpo luego de suficiente tiempo La solución general de esta ecuación diferencial de primer orden es:

(2)

Donde A y B son constantes. El parámetro se mide en unidades de tiempo y representa un tiempo característico del enfriamiento. Si el cuerpo se enfría a partir de una temperatura Ti hasta To y la ley de enfriamiento de un cuerpo es valida, la ecuación:

(3)

 Sustancia oF oC oK

El agua hierve a 212 100 373

Temperatura Ambiente 72 23 296

El agua se congela a 32 0 273

Cero Absoluto -460 -273 0

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Deberá ser adecuada para representar la evolución de la temperatura, dado que esta ecuación es solución de (1)

QUE ES EL CALOR Y COMO SE PRODUCE

El universo esta hecho de materia y energía. La materia esta compuesta de átomos y moléculas, y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento – rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocando unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que esta presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacíos mas fríos de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible.

La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una a otra. Muchos tipos de engría pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas

Cuanta más energía se mete en un sistema, más activas se ponen sus moléculas. Cuanto más rápidas se mueven las moléculas, más energía térmica o calor producen. La cantidad de calor en una sustancia está determinada por qué tan rápido se mueven sus moléculas, que a su vez depende de cuánta energía tiene el sistema. A pesar de que las moléculas son demasiado pequeñas para ser vistas, podemos detectar y medir su movimiento.

En el sistema métrico el calor se mide en unidades llamadas julios, en el sistema británico se mide en Unidades Térmicas Británicas (BTU). El calor también se puede medir en calorías.

La unidad Julio fue nombrada en honor del físico Inglés James Prescott Joule (1818 - 1889), descubridor de que el calor es un tipo de energía.

Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit. 1 BTU = 1,000 Julios

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius. 1 caloría (cal) = 4.186 Julios

Resumen: El calor es la energía que tiene un objeto debida al movimiento de sus átomos y moléculas que están constantemente vibrando, moviéndose y chocando unas con otras. Cuando añadimos energía a un objeto, sus átomos y moléculas se mueven

más deprisa, incrementando su energía de movimiento o calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.

MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CONVECCIÓN:

El modo de transferencia de calor por conveccion, se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión), la energía también se transfiere mediante el movimiento global o microscópico del fluido (movimiento volumétrico). De acuerdo a la naturaleza del flujo se clasifica en Conveccion forzada, cuando el flujo es causado por medios externos, como un ventilador, una bomba. Conveccion libre, el flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de

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densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido. Por lo general la energía que se transfiere es la energía sensible o energía térmica interna del fluido. Sin embargo, hay procesos en lo que existe, además, intercambio de calor latente, este generalmente se asocia con un cambio de fase entre los estados liquido y vapor del fluido

Imagen térmica infrarroja mostrando como hierve el aceite en una sartén. El aceite está transfiriendo calor hacia fuera de la sartén por convección. Note las partes calientes (amarillas) de aceite caliente ascendente y las partes frías del aceite que desciende. Imagen cortesía de K.-P. Möllmann and M. Vollmer, Universidad de Ciencias Aplicadas Brandenburg/Germany.

Imagen térmica infrarroja de dos tazas de café llenas de un líquido caliente. Note como el calor del líquido hace que las tazas brillen. El calor se transfiere del líquido caliente a las tazas por conducción.

CONDUCCIÓN:

La conducción se considera como la transferencia de energía de las partículas mas energéticas a las menos energéticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas. En presencia de un gradiente de temperatura la transferencia de energía debe de ocurrir en la dirección de la temperatura decreciente. Se habla de la transferencia neta de energía debida al movimiento molecular aleatorio como una difusión de energía Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor. Para la conducción de calor, la ecuación o modelo se conoce se conoce como Ley de Fourier , la cual se expresa como

El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de

área (W/m²) es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia y es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx en esa dirección. La constante de proporcionalidad k es una propiedad de transporte conocida como conductividad térmica (W/mºK) y es una característica del material. El signo menos es una

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consecuencia del hecho de que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura decreciente. En las condiciones de estado estable, donde la distribución de temperaturas es lineal, el gradiente de temperatura se

expresa como: y el flujo de calor entonces es

o

La rapidez de transferencia de calor es

OBSERVACION: El uso de la ley de fourier, hace obligatorio el conocimiento de la conductividad térmica. Esta propiedad, a la que se hace referencia como propiedad de transporte, proporciona una indicación de la velocidad a la que se transfiere energía mediante el proceso de difusión, y depende de la estructura física de la materia, atómica y molecular que se relaciona con el estado de la materia.

Imagen térmica infrarroja del centro de nuestra galaxia. Este calor, procedente de numerosas estrellas y nubes interestelares, ha viajado unos 24,000 años luz (aproximadamente 240,000,000,000,000,000 Km.!) a través del espacio en forma de radiación hasta llegar a

RADIACIÓN:

Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa contacto entre la fuente y el receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol aunque no podemos tocarlo. El calor se puede transferir a través del espacio vacío en forma de radiación térmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiación electromagnética (o luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.

Todos los objetos absorben y emiten radiación. Cuando la absorción de energía está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la emisión domina, la temperatura disminuye.

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nuestros telescopios infrarrojos.

EN QUE SE DIFERENCIAN EL CALOR Y LA TEMPERATURA

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.

PRACTICA Nº 4. INTRODUCCION A LA TERMICA(LABORATORIO)

Fecha: ______________

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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DE LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALPOLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA

NUCLEO EDO. TÁCHIRACICLO BASICO DE INGENIERIA

Integrantes: _______________________________________________ ________________________________________________ ________________________________________________ _________________________________________________

Experiencia Nº 1.Ley de enfriamiento de Newton.

Equipos

Un (1) termómetro Una (1) hornilla Un recipiente para calentar agua Un (1) cronometro Un (1) termo

Desarrollo

El cuerpo en estudio es un termómetro de mercurio que mide entre -10ºC y 110ºC con una resolución de 1ºC.

► Calentamos agua hasta el punto de ebullición y la colocamos en un termo.► Sumergimos el termómetro en el agua y esperamos a que la lectura sea la máxima posible.► Sacamos el termómetro del agua, lo secamos y comenzamos la lectura y el registro de su temperatura en función del tiempo.NOTA: Obtenga la lectura según el tiempo indicado por el profesor.► Construir la tabla de resultados con los valores de t(s) y T (ºC)► Encuentre los valores de las constantes A y B ► Grafique usando una escala lineal la de temperatura T (ºC) en función del tiempo t(s) (T vs. t).► Grafique usando una escala semilogaritmica DT vs. t y observe si obtiene una relación lineal. En caso de ser afirmativo, obtenga de la pendiente el valor del tiempo característico. Y obtenga la ecuación exponencial.

Experiencia N°2. Conducción de calor

Equipos Tres (3) termómetros. Una (1) vela Dos (2) varillas aisladas de conducción de calor Cronometro Cinta métrica

DesarrolloEl mecanismo de conducción de calor esta formado por un cilindro de cobre de K =397 W/m.°Cel cual tiene una temperatura de entrada constante de 1500°K (vela)

► Medir las distancias que hay desde el comienzo del mecanismo hasta el primer termómetro, desde el primer termómetro hasta el segundo termómetro, y desde el segundo termómetro hasta el tercer termómetro► Introducir los termómetros dentro del mecanismo.► Tomar la lectura inicial de todos los termómetros, y asegurar que el sistema esta en equilibrio.► Encender la vela justo debajo del tubo de cobre haciendo contacto con el mismo (no debe de haber ventilación por ningún lado para poder mantener la temperatura de la vela constante).► Tomar las lecturas en cada termómetro de acuerdo al tiempo indicado por el profesor.► Realizar una tabla de datos que contenga t(s), T1 (ºC), T2 (ºC), y T3 (ºC)► Calentar hasta obtener en el primer termómetro la lectura indicada por el profesor, o en caso contrario hasta que el termómetro tienda a estabilizarse.► Graficar T vs. d ( T de cada termómetro para los tiempos que el profesor le indique )► Calcular la transferencia de calor, para los tiempos indicados por el profesor.

REALIZAR LA MISMA EXPERIENCIA PERO USANDO AHORA UN TUBO DE ALUMINIO (k= 238 W/m°C)

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Experiencia Nº 3. Conveccion de calorEquipos

Un (1) vaso precipitado Un (1) mechero Aserrín

DesarrolloHaz el montaje indicado en la fig. Agregar el aserrín al recipiente con agua y cuando comience a hervir observa atentamente el movimiento que realizan las partículas de aserrín. Toma nota y realice el dibujo del movimiento que has observado.

Experiencia Nº4. Radiación de calorEquipos

Un (1) bombillo con su respectivo socatesDesarrolloDe acuerdo al montaje indicado, sitúate una distancia de aproximadamente 2m y acércate poco a poco hacia el bombillo. Comente y anote lo que observa

ANALISIS DE RESULTADOS

1.-Que tan buena aproximación a la realidad es la ley de enfriamiento de Newton. Analice las graficas.2.- Analice y explique el comportamiento de conducción de calor entre el cobre y el aluminio.3.- De acuerdo a los resultados obtenidos en la experiencia Nº 3, a que se debe el movimiento de las partículas y que modo de transferencia de calor observo.4.- Explique con sus propias palabras lo que entiende por calor por conveccion.5.- De acuerdo a los resultados obtenidos en la experiencia Nº 4:

¿Que sensación percibes a medida que se va acercando? ¿Cuál es la causa? ¿Como llega el calor hasta ti? ¿Qué nombre recibe la transmisión del calor cuando se propaga de esta manera? Indique otro ejemplo de este tipo de transmisión de calor.

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