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SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIORDIRECCIÓN GENERAL DEL BACHILLERATO
CENTRO DE ESTUDIOS DE BACHILLERATO 4/1“MAESTRO MOISÉS SÁENZ GARZA”
Academia de Ciencias Experimentales
Actividad Experimental de Física IIAgosto de 2020
ALUMNO(A): GRUPO:
PROFESOR: Enrique Galindo Chávez FECHA: CALIFICACION:
Actividad experimental Bloque II
Temperatura y calor (primera parte)
EXPERIMENTO: Temperatura y dilatación térmica.
1. Objetivos:
1. Determinar experimentalmente los puntos fijos de la Escala Celsius (Centígrada) y explicar los conceptos básicos relacionados con el Calor y la Temperatura, así como sus unidades de medida.
2. Observar la dilatación térmica de diferentes materiales, y calcular el coeficiente de dilatación cúbica del aire.
2. Referencia electrónicas: https://www.edumedia-sciences.com/es/media/118-expansion-termica https://www.youtube.com/watch?v=VS1UccvJ_Wk https://www.youtube.com/watch?v=CcxoMIgtOx8
3. Aspectos Teóricos:
Temperatura
El termómetro es un instrumento empleado para medir la temperatura. El más usado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto esta sellado para mantener un vació parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como el alcohol o éter.
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La invención del termómetro se atribuye a Galileo, aunque el termómetro sellado no apareció hasta 1650. Los termómetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el físico alemán Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperatura, que lleva su nombre. Desde entonces se han propuesto diferentes escalas de temperatura la escala centígrada o Celsius diseñada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en la mayoría de los países, el punto de congelación es 0 grados (0° C) y el punto de ebullición es de 100 grados (100° C).
En la escala Fahrenheit, el punto de congelación del agua corresponde a 32 grados (32° F) y su punto de ebullición a presión normal es de 212 grados (212° F).
Termómetro hay de muchos tipos, pero quizás lo más habituales sean o hayan sido los que contienen un líquido en su interior que se dilata o contrae con los cambios de temperatura. Este líquido puede ser mercurio, alcohol coloreado, etc. Este tipo de termómetros funciona gracias a una propiedad de los líquidos: se dilatan al aumentar la temperatura y se contraen cuando disminuye.
Dilatación térmica.
La dilatación es el aumento o disminución en las dimensiones de los cuerpos debido al cambio de temperatura que experimentan.
Existen tres tipos de dilatación:
Lineal: Cuando se afecta la longitud de los materiales en forma de alambres, barras o varillas.
Superficial: Si se afecta el área o superficies en láminas principalmente.
Volumétrica: Si afecta el volumen de los cuerpos, líquidos y gases.
La mayoría de los materiales se afectan por la dilatación, razón por lo que en las vías del ferrocarril se dejan “juntas de dilatación” para evitar que se golpeen una contra la otra al aumentar la longitud de estas, por ello en la construcción de pavimentos de concreto, y puentes, se dejan “juntas de
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dilatación” con neopreno para que absorba el calor y el aumento de la superficie no afecte fracturando las losas chocando una contra otra.
La dilatación del agua es anómala, pues a los 4°C ésta tiene su máxima densidad, y si se disminuye su temperatura a 0°C, su volumen aumentará al convertirse en hielo, disminuyendo su densidad, por lo que en los lagos y mares dicha dilatación servirá para conservar la vida marina.
4. Cuestionario:
1. ¿Además del termómetro de mercurio, menciona al menos otras dos sustancias con las que podría construirse un termómetro?
2. ¿Qué otras escalas – además de ° C – puedes mencionar?
3. ¿Menciona las principales partes que constituyen un termómetro?
4. ¿Qué ocurrirá con el mercurio si se eleva la temperatura?
5. ¿Qué es la dilatación térmica?
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6. ¿Cuáles son los tipos de dilatación térmica?
7. ¿Qué aplicaciones puede tener una lámina bimetálica?
5. Procedimiento:
Revisa el siguiente simulador: https://www.edumedia-sciences.com/es/media/118-expansion-termica, que te permitirá entender el experimento a realizar.
Revisa detalladamente el siguiente video de dilatación térmica: https://www.youtube.com/watch?v=CcxoMIgtOx8
6. Contesta el siguiente cuestionario:
1) ¿Qué es el Calor?
2) ¿Qué es la temperatura?
3) ¿Qué es un termómetro y cómo funciona?
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4) ¿Qué es la dilatación térmica?
5) ¿Cómo funciona un termómetro de mercurio y otro de alcohol?
6) ¿Cuáles son los puntos fijos de un termómetro en la escala Celsius y en la escala Fahrenheit?
7) ¿Si al hielo se le agrega sal, la temperatura del punto fijo inferior sería 0 ºC? Explica.
8) Escribe las expresiones matemáticas para realizar conversiones de las Escalas Termométricas Celsius, Fahrenheit y Kelvin.
9) Un horno para tratamientos térmicos de metales indica una temperatura de 200 ºC, ¿Cuál será su equivalente en ºF y ºK?
Valora tu aprendizaje.
1) Menciona y explica dos casos donde hayas observado la dilatación de sólidos.
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2) ¿La dilatación lineal es una propiedad exclusiva de los metales? ¿Está usted de acuerdo? Justifique.
3) ¿Por qué se dilatan los cuerpos?
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Temperatura y calor (segunda parte)
EXPERIMENTO: Calor absorbido y/o cedido
1. OBJETIVO Determinar la cantidad de calor absorbido y/o liberado por una sustancia al combinarse
con otra, cuando alcanzan el equilibrio térmico.
2. REFERENCIA
https://www.youtube.com/watch?v=Bvfn6eUhUAc https://www.youtube.com/watch?v=9ZMgnKYGX-U https://www.youtube.com/watch?v=jTXDbkY6B54
3. ASPECTOS TEÓRICOS:
CALOR¿Qué es el calor?
Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpos absorbían o desprendían según los casos. Lo que ves a la derecha es una manifestación del calor, es una llama, pero no es el calor, el calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos del calor.
Rumford, taladrando tubos de metal para construir cañones, se dio cuenta de que cuanto más desafilada estaba la broca más calor se desprendía. Si el calor estuviera retenido en el cuerpo impregnándolo saldría más cuanto más se desmenuzará la materia en virutas...pero no era así, era justamente al revés.
¡El calor se generaba al rozar la broca con el metal! ¡La energía cinética de la broca se transformaba en calor!
El calor es por lo tanto una forma de energía, "energía calorífica". Un inglés llamado J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades del trabajo. El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o energía térmica, al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las partículas que la forman. La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar. Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos (energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente.
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El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados.
Los cuerpos radian unos hacia otros, pero el balance total del intercambio es favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio térmico, el calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro.Es una energía degradada ya que es imposible recuperar toda la energía mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío.
¿Cómo se genera el calor?
La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una forma a otra. Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras transformaciones de energía:
La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros tipos de energía.
Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el infrarrojo. Las reacciones químicas de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo
absorben (endotérmicas). La electricidad circulando por una resistencia la calienta. Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calor al
deformarse. Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para vivir
necesitamos unas 2 100 000 calorías al día. Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa. Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se transmite
en el aire: las ondas transportan energía.
¿Cómo se mide el calor?
El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la escala de Celsius de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de las sustancias que, aunque reciba
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mucha energía calorífica, incrementa muy poco su temperatura, esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud terrestre. La capacidad del agua de absorber los impactos de calor "sin casi inmutarse" incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud llamada "calor específico" (c): calor que necesita 1 g de sustancia para aumentar 1 grado su temperatura. En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g grado.
Caloría
Se llama caloría " la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua aumente 1º su temperatura" (más exactamente para pasar de 14.5 º a 15.5º).Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía mecánica. Hoy se utiliza siempre el SI y usamos como unidad de trabajo y de energía el julio (1 caloría = 4.186 Julios).
En el SI el c (agua) = 4186 J/kg K.
Cada sustancia tiene un calor específico característico, casi siempre mucho menor que el del agua.
calores específicosSustancia cal /g ºCAluminio 0.212
Cobre 0.093Hierro 0.113
Mercurio 0.033Plata 0.060Latón 0.094
Agua de mar 0.945Vidrio 0.199Arena 0.20Hielo 0.55Agua 1.00
Alcohol 0.58Lana de vidrio 0.00009
Aire 0.0000053
Capacidad calorífica
Pero la cantidad de calor que puede acumular o perder una masa de agua depende, además de su calor específico, de la masa de la sustancia. El producto de la masa por el calor específico se llama "capacidad calorífica". Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incremente su temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la sustancia para absorber el calor. El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere, uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura:
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Q = m (cuerpo) c (cuerpo) (Tf – Ti)
Para medirlo necesitamos conocer el comportamiento de la sustancia frente al calor, es decir su c, su masa y el indicativo de su nivel térmico (su temperatura) antes y después de recibir o perder calor.
A veces la sustancia recibe energía (calor) y no incrementa su temperatura. Es lo que ocurre en los cambios de estado. Un caso concreto lo tenemos en la fusión del hielo, si suministramos calor a una mezcla formada por hielo fundido y hielo sin fundir el calor se emplea en fundir más hielo y la temperatura del agua no se incrementa, la fórmula para hallar la cantidad de hielo que se funde con una determinada cantidad de calor es:
Q=m· L fusión
Donde L fusión es el calor latente de fusión expresado en J/kg, una cantidad característica de cada sustancia. Indica la energía que debemos aportar para separar las moléculas al pasar de sólido a líquido.
4. CUESTIONARIO:
1. ¿Qué es el calor?
2. ¿De qué manera fluye el calor?
3. ¿Cuándo se alcanza el equilibrio térmico?
4. ¿Por qué se dice que el calor es una energía degradada?
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5. Menciona algunas formas en las que se manifiesta el calor.
6. ¿Qué cantidad de energía necesita el ser humano para vivir?
7. ¿A qué se le llama capacidad calorífica?
5. PROCEDIMIENTO:
Revisa detalladamente el siguiente video de Equilibrio térmico: https://www.youtube.com/watch?v=9ZMgnKYGX-U
Revisa las veces que consideres necesario el video para cada uno de los experimentos que se realizan en el mismo; trascribe las preguntas que se plantean durante el video para cada experimento y en el apartado RESULTADOS y contéstalas. Anota los resultados que se obtienen en cada experimento, estos los puedes colocar en tablas que tu puedes proponer.
No es necesario que repitas los experimentos solo observa con detalle lo que se realiza para obtener tus resultados.
6. RESULTADOS:
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