Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Universidad Nacional Mayor de San MarcosFsica II

INTRODUCCIN

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un lquido o un gas, es casi seguro que se producir un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado conveccin. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un lquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el lquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido ms caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido ms fro y ms denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina conveccin natural. La conveccin forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecnica de fluidos.En esta experiencia se tratar lo mencionado anteriormente, se estudiar la conveccin en fluidos (lquidos y gases).A lo largo del informe se explicar y analizar el comportamiento de la conveccin en los fluidos empleados. Al final se detallarn algunos aspectos relacionados a la conveccin, se expondrn las conclusiones y se darn algunas recomendaciones para realizar correctamente la experiencia.

OBJETIVOS Ver la forma de transmisin de calor en fluidos e identificar dicha forma como conveccin. Analizar y comparar las caractersticas de la conveccin en los lquidos y gases.

EQUIPOS Y MATERIALES

1 soporte universal

1 pinza universal

1 vaso de precipitados, 250 ml

1 nuez doble

1 cuchara con mango de esptula

Permanganato potsico 25 g

Sedal (hilo de seda)

Espiral

FUNDAMENTO TERICO

En un fluido, la mayor parte del calor es transportado de una parte a otra del cuerpo por el mismo fluido. Este proceso es llamado conveccin. En un caso tpico, el fluido prximo a una fuente de calor se calienta y se dilata ligeramente, hacindose ms liviano que el fluido ms fro de las capas superiores. Sube, entonces, y es reemplazado por fluido ms fro y ms pesado. Cuando el fluido ms caliente llega a las partes ms fras del recipiente, se enfra, se contrae, y comienza a caer de nuevo. No es posible, en general, escribir una ecuacin simple que relacione el flujo de calor por conveccin a gradientes de temperatura u otros parmetros termodinmicos. cada caso debe tratarse por separado. En aire quieto, la tasa de transmisin de calor por conveccin desde una superficie de rea A est dada aproximadamente por la frmula emprica H = q A T (2)

DondeT es la diferencia de temperatura entre la superficie y el aire lejano a ella. La constante de transmisin de calor por conveccin q depende de la forma y la orientacin de la superficie y tambin de T, es decir, del rango de temperaturas en juego. Para una persona desnuda, se puede utilizar el valor medio q = 7,1x10-3 Watt/m2/K.

La conveccin juega un papel importante en muchos procesos de nuestra vida diaria. As, existe un factor de enfriamiento por viento. La temperatura efectiva disminuye rpidamente a medida que aumenta la rapidez del viento, como se muestra en la tabla siguiente.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 -30C movindose, por ejemplo, a 40 km/h en aire a -10C (algo que puede ocurrir al esquiar, por ejemplo). Las temperaturas menores a -60C son extremadamente peligrosas, pues la congelacin puede sobrevenir en segundos.

DESCRIPCIN DE CONVECCIN EN EJEMPLOS 1. Calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El lquido ms prximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conduccin a travs de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido ms fro baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulacin. El lquido ms fro vuelve a calentarse por conduccin, mientras que el lquido ms caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiacin y lo cede al aire situado por encima. 2. De forma similar, en una cmara vertical llena de gas, como la cmara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior que est ms fro desciende, mientras que al aire cercano al panel interior ms caliente asciende, lo que produce un movimiento de circulacin.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALMonte el equipo tal como muestra el diseo experimental de la gua.MONTAJE 21. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 200 ml de agua.

1. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de Permanganato potsico.

1. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados.1. Mientras se calienta, observe atentamente el agua coloreada.Anote sus impresiones.

Mientras se calienta se observ que el agua coloreada asciende hasta alcanzar la superficie, se enfra y enseguida desciende.

1. Dibuje, esquemticamente, con lneas 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 enfra, 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 crculos, hasta que se retire la fuente de calor.

MONTAJE 31. 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.Debido a la rotacin de la Tierra, el viendo no circula en lnea recta desde la zona de altas presiones a la de bajas presiones. La rotacin hace que se desve y adopte una trayectoria curva.

AUTOEVALUACINRespecto a los fenmenos realizados en el laboratorio.1. Investigue y explique concisamente sobre la circulacin ocano-atmsfera.Las interacciones entre la atmsfera y el ocano son complejas y en muchos casos es difcil establecer causa y efecto. La circulacin del ocano depende principalmente de dos factores atmosfricos: el viento y el calentamiento del agua de mar.El ocano, que puede almacenar calor en mucha mejor forma que la atmsfera o que la tierra firme, absorbe ms calor por unidad de rea en la zona ecuatorial que en los polos. Este calor ser transferido a las reas ms fras del ocano mediante conveccin o movimiento del agua.La capacidad de almacenamiento de calor del ocano es muy importante para modificar e influenciar el clima continental.El viento que sopla sobre el ocano genera olas, mezcla las aguas superficiales y extrae vapor de agua desde la superficie del mar.El vapor de agua es llevado a la atmsfera por evaporacin y, eventualmente, transferido a la tierra por precipitacin. Este ciclo, llamado el ciclo hidrolgico, se completa cuando el agua retorna al ocano.Cerca de la costa, el viento puede causar que las aguas superficiales se desplacen mar afuera y sean reemplazadas por aguas ms profundas y ms fras, ricas en nutrientes. Esta surgencia puede producir ricas reas de pesca, debido a que transporta nutrientes a las aguas superficiales.

Figura. Circulacin ocano-atmsferaLos ocanos influyen el clima terrestre a travs desu intercambio con la atmosfera de grandes cantidades de calor,humedad y gases como el dixido de carbono.

1. Qu sucede en nuestro medio durante el fenmeno del nio?El fenmeno del nio es un fenmeno climtico cclico que provoca estragos a nivel mundial, siendo las ms afectadas Amrica del Sur y las zonas entre Indonesia y Australia, provocando con ello el calentamiento de las aguas sudamericanas.El fenmeno del nio se presenta cuando, las dos corrientes: la corriente peruana y la corriente del nio, se juntan, provocando un desorden, en el clima y en el agua de nuestro litoral.Durante el Nio los vientos alisios dejan de soplar, la mxima temperatura marina (el agua caliente) se desplaza hacia la Corriente de Per, que es relativamente fra, y la mnima temperatura marina se desplaza hacia el Sudeste Asitico. Esto provoca el aumento de la presin atmosfrica en el sudeste asitico y la disminucin en Amrica 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 climtico hace que las aguas eleven su temperatura quitndole los nutrientes y desplazando el ecosistema que tenamos, esto es la desaparicin de la mayora de los peces que estaban destinados a la pesca, aunque en su reemplazo aparecieron otro tipo de peces de agua clida 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.

Manifestacin del Fenmeno "El Nio" en nuestro medioEn el Per, los efectos del fenmeno "El Nio" se hacen ms evidentes en zonas comprendidas por los departamentos de Tumbes, Piura y Lambayeque (norte del pas), ocasionando el aumento de la temperatura del mar entre 28 a 33C, cuando normalmente en poca de verano llega hasta 24C; siendo el comn denominador la aparicin de diversas especies marinas propias de aguas tropicales y la desaparicin de otras especies tpicas de la zona; aunque tambin en los eventos recientes de las ltimas dos dcadas se ha observado manifestaciones en la zona central costera y tambin en el altiplano. Sin embargo, la presencia de cada evento tiene su propia particularidad, la misma que difiere de otros eventos.Las alteraciones climticas acompaadas con abundantes precipitaciones, ocasionan cambios en los ecosistemas marinos y terrestres, trayendo como consecuencia una secuela de destruccin en el aparato productivo, en la pesquera, agricultura, transporte, comercio, infraestructura costera, industria, salubridad, y otras actividades conexas.

1. Qu son los vientos alisios? Qu fenmenos los producen?Los vientos alisios son un sistema de vientos relativamente constantes en direccin y velocidad que soplan en ambos hemisferios. Circulan entre los trpicos, desde los 30-35 de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotacin de la Tierra desva 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.

FormacinEn 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 stos. Los vientos alisios son parte de la circulacin de Hadley que transporta el calor desde las zonas ecuatoriales hasta las subtropicales reemplazando el aire caliente por aire ms fro de las latitudes superiores. La rotacin terrestre produce la desviacin hacia el oeste de estos vientos, desviacin que se conoce como el efecto de Coriolis, cuyo nombre procede de Gaspard Coriolis, un cientfico francs que describi este proceso.

Figura. Circulacin de Celda Hadley

La circulacin de Celda Hadley involucra aire que sube cerca del ecuador, fluyendo horizontalmente en direccin a los polos norte y sur, descendiendo hacia la superficie de la tierra en el subtrpico, y regresando por la superficie de la Tierra hacia el ecuador. Esto produce los vientos conocidos como vientos alisios y vientos del este.

1. 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 Radiativa: Esta zona se encuentra inmediatamente sobre el ncleo. El transporte de energa se realiza a travs 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 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.

Figura. Estructura interna del solTRANSPORTE 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.

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.

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.BIBLIOGRAFA1. CONVECCIN http://esamultimedia.esa.int/HSO/Convection_Sec_ES.pdf1. CIRCULACIN DE LOS OCEANOShttp://meteo.fisica.edu.uy/Materias/climatologia/1. INTERACCIN OCANO-ATMSFERAhttp://www.cienciorama.ccadet.unam.mx/articulos_extensos/1. CELDA HADLEYhttp://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/1. FENMENO EL NIOhttp://www.elclima.com.mx/fenomeno_el_nino.htm1. EL NIOhttp://www.naylamp.dhn.mil.pe/nino/mainFrame.htm1. SOL:COMPOSICIN Y ESTRUCTURAhttp://www.megasistemasolar.edu.ar/

CONVECCIN20