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Laboratorio de Termodinámica: Temperatura y Transferencia de Calor. Carmen González Meza
Primavera 2006
TEMPERATURA Y TRANSFERENCIA DE CALOR OBJETIVOS: • • •
Adquirir una definición operativa del concepto de temperatura, y explicar la conexión entre Temperatura y Equilibrio Térmico. Entender como varía la temperatura de un cuerpo a medida que experimenta una interacción térmica con sus alrededores. Cuantificar la interacción entre partes de un sistema que produzca cambios de temperatura como función de la masa y otras propiedades de elementos en el sistema.
INTRODUCCIÓN: Con esta unidad damos inicio al estudio de la Termodinámica, una forma nueva y diferente de estudiar un fenómeno físico. La mayoría de la física estudiada en cursos anteriores involucra movimientos que pueden verse, mientras que los cambios con los que nos enfrentaremos en termodinámica no serán visibles sin la ayuda de instrumentos de medición indirecta tales como termómetros y manómetros. En nuestra discusión de la termodinámica usaremos algunos conceptos de Mecánica tales como Trabajo y Energía Cinética, pero también vamos a introducir nuevos términos. Aunque algunos de ellos sean familiares, tales como Transferencia de calor y Temperatura, los definiremos en forma más precisa, y otros términos, menos familiares, tales como Entropía, Procesos adiabáticos y Procesos Isotérmicos se estudiarán en los siguientes experimentos. La Temperatura es la cantidad termodinámica más conocida y fundamental y su estudio es el objetivo de estos primeros experimentos. En general, la medición de la temperatura depende de algunas características del material con el que funciona el termómetro, y que varían al enfriarse o calentarse. Por lo tanto, la longitud de un alambre de metal, la altura de una columna de mercurio o la presión de un gas, pueden servir como medios para medir temperatura. Si estudiamos fenómenos eléctricos descubriremos que la corriente eléctrica que conducen ciertos materiales también puede cambiar con la temperatura. Por lo tanto es posible usar métodos electrónicos para medir la temperatura. En la primera actividad de este experimento usaremos el típico termómetro de bulbo de vidrio y un sensor electrónico conectado a través de una interfaz a una P.C. para medir la temperatura. En la segunda actividad estudiaremos con más detenimiento el concepto de temperatura. En particular observaremos como la temperatura de una sustancia o sistema se ve afectada cuando interactúa con el medio ambiente o con otra sustancia a diferente temperatura. Siempre que la temperatura de "algo" cambia se dice que ha sufrido una interacción térmica. Cuando la temperatura de un sistema permanece constante nos referimos a este como en equilibrio térmico. Debido a que no podemos ver lo que realmente esta sucediendo cuando algo cambia de temperatura, tenemos que desarrollar nuevos conceptos que traten de explicar lo que está sucediendo. Uno de estos nuevos conceptos es el de transferencia de calor.
2006 Física, Departamento de Física y Matemáticas. Universidad Iberoamericana. México D.F.
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En la tercera actividad vamos a combinar las ideas acerca del cambio de temperatura, transferencia de calor y energía, para poder deducir la Primera Ley de la Termodinámica. Entender esta ley es esencial para la aplicación práctica de la termodinámica a las máquinas de calor y otros fenómenos de vital importancia económica. Es también otra pieza del rompecabezas de la conservación de la energía, necesario para entender todos los fenómenos físicos.
TEMPERATURA Actividad 1: Midiendo Temperaturas Existen varios tipos de termómetros que permiten hacer mediciones cuantitativas y confiables de la temperatura. El más común es el que consiste en un tubo de vidrio lleno de mercurio, un metal que se encuentra en estado líquido a la temperatura ambiente, o también pueden llenarse con alcohol pintado. Para empezar nuestro estudio termodinámico vamos a definir a la temperatura como la cantidad que se relaciona con la altura de un líquido contenido en un típico termómetro de bulbo. Esta actividad consiste en usar un termómetro sin escala. Pruébalo utilizando sustancias que aparentemente tienen diferentes temperaturas, trata de averiguar como funciona. Para llevar a cabo este experimento y varios otros de esta actividad, utilizarás el siguiente material: • • • • • • • • • • •
Un termómetro de bulbo sin escala (tubo de ensaye con alcohol etílico con colorante, tapón de hule y tubo capilar). Masking tape, para marcar la escala de temperatura. Un flexómetro Un termómetro de bulbo de mercurio con escala de grados Fahrenheit o Centígrados. Hielo NaCI (cloruro de sodio) Agua Vasos de precipitados de 250 mL, 100 mL Calentador de inmersión Soporte universal Pinzas de tres dedos
1.1 El Termómetro de Bulbo: Realiza un dibujo del termómetro de bulbo, Explica como funciona.
Escalas de Temperatura: Probablemente estás familiarizado con la escala de grados que se utiliza en los reportes meteorológicos ya sean Fahrenheit o Celsius. Estas son tan sólo dos de las muchas escalas usadas por los primeros investigadores del calor y la termodinámica. La mayoría de ellas se establecieron tomando dos "puntos fijos" de temperaturas 2006 Física, Departamento de Física y Matemáticas. Universidad Iberoamericana. México D.F.
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confiables y fácilmente reproducibles. El investigador entonces, tenía que decidir cuantos "grados " había entre estas dos temperaturas. La escala Fahrenheit la estableció el alemán Herr Fahrenheit en 1724. El punto cero (O°F) supuestamente correspondía a la temperatura más baja que se podía alcanzar con una mezcla de hielo y sal, mientras que el punto mas alto era el de la temperatura del cuerpo humano que el llamó 96°F. En la escala original el punto de congelación del agua expuesta al aire, y a nivel del mar resultó ser 32°F (punto de hielo) y el punto del agua en ebullición expuesta al aire y al nivel del mar resultó ser 212°F (punto de vapor). En 1742 un investigador sueco llamado Celsius diseñó otra escala y se refirió a ella como la escala centígrada. En esta escala el punto de congelación del agua expuesta al aire y a nivel del mar se marcó como O°C y el punto de ebullición del agua expuesta al aire y a nivel del mar se fijó en 100°C. La moderna escala Celsius se basa en un grado del mismo "tamaño " que en la escala centígrada, pero se fijó de tal forma que el punto triple del agua (es decir la temperatura y presión a la cual el hielo sólido, el agua líquida y el vapor de agua puedan coexistir) sea 0.01 °C. Los físicos han descubierto que existe un límite natural de que tan frío pude llegar a estar un objeto. La temperatura más fría posible, Cero Absoluto, es el cero en otra escala de temperatura, la escala Kelvin. Como está basado es un punto cero "verdadero" es un escala de temperatura muy importante en termodinámica. Esta escala tiene el mismo "tamaño" de grado que en la escala Celsius, y el punto triple del agua es 273.16K exactamente. La conversión entre la escala Celsius y la escala Kelvin es muy simple y solamente se necesita adicionar 273.16 a la temperatura en grados C para obtener la temperatura Kelvin. En otras palabras:
ó
1.2 Definiendo una escala de temperatura operativa. 1. Define una escala de temperatura propia esta escala será arbitraria, es decir, tu establecerás el nombre y los puntos fijos. Para hacerlo escoge dos objetos cuyas temperaturas consideres sean diferentes y convenientes de medir. Asigna diferentes valores, conocidos como Puntos fijos, (mínimo y máximo) a las temperaturas de estos dos objetos, y decide cuantos "grados" debe haber entre los valores asignados, es decir medir la distancia entre ambos puntos fijos y definir la escala que utilizarás para medir. Utiliza una cinta de Masking tape en el tubo capilar para marcar tu escala. No olvides reportar la incertidumbre de medición de tu termómetro. Describe el procedimiento para establecer tu escala (° X): NOTA: SI UTILIZAS EL CALENTADOR DE INMERSIÓN RECUERDA QUE NO DEBE SER CONECTADO EN SECO.
2. Con tu escala, realiza por lo menos 5 mediciones, como: la temperatura ambiente, la temperatura del agua de hielo, tu temperatura corporal (mano), etc. Puedes salir y realizar diversas mediciones. Recuerda determinar los valores medidos con un termómetro de bulbo de mercurio y compara:
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Mediciones:
Tu escala: ±
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°C ±
°F ±
Temp. Ambiente Agua de hielo Temp. corporal
Tabla 1. 3. ¿Los puntos fijos que escogiste son confiables? En otras palabras, ¿Son verdaderamente puntos fijos? ¿Si se te diera más tiempo y mejores aparatos crees que podrías escoger puntos más confiables? Explica ampliamente. Da un ejemplo de un punto fijo más confiable.
1.3 Conversión entre Escalas de Temperatura. 1. Debes encontrar una ecuación que convierta una temperatura expresada en la escala Fahrenheit a la temperatura expresada en Celsius. Empieza escribiendo dos valores diferentes de temperatura en ambas escalas y fija dos puntos (ejemplo: puntos de hielo y de vapor. Aunque puedes usar dos puntos cualquiera cuyas temperaturas conozcas en ambas escalas).
Punto # 1: = __________________ °C
____________________ °F
Punto #2: = __________________ °C
____________________ °F
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Asumiendo que la ecuación es una simple relación lineal de la forma:
Y = mX + b La pendiente m nos dice cuantos grados Celsius hay por cada grado Fahrenheit. m se puede encontrar comparando T(vapor) - T( hielo), o otros puntos de temperatura fija en ambas escalas. m = ____________________ °C/°F El valor de la constante b puede encontrarse si se toma encuentra el valor de O °C (punto de hielo) en la escala Fahrenheit. b = ____________________ °C La ecuación final es:
2. Utilizando el mismo procedimiento, escribe una ecuación que convierta, una temperatura expresada en la escala que desarrollaste (°X) en la Actividad 1.2, a la escala Celsius, y una ecuación que convierta una temperatura expresada en la escala que desarrollaste (°X) a la escala Fahrenheit:
3. Expresa la temperatura ambiente en la escala Kelvin
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Actividad 2: Monitoreando Temperatura En Forma Electrónica. En esta sección exploraremos los métodos electrónicos para medir la temperatura, para ello utilizaremos un sensor que se conecta directamente a la computadora del laboratorio. Este sistema tiene diferentes ventajas sobre el uso de los termómetros de bulbo ya que generalmente responden en forma más rápida a los cambios de temperatura. Es posible producir una gráfica de temperatura vs. tiempo para uno o dos sensores al mismo tiempo El propósito de esta actividad es familiarizarse con los métodos de medición electrónicos de temperatura, algunas de sus limitaciones y características. Para llevar a cabo esta actividad necesitarás lo siguiente, y parte del material utilizado antes en esta sesión. • • • • • • • •
Computadora con Mouse. Lab-Pro . 2 Sensores de temperatura 1 termómetro de bulbo de mercurio 2 vasos de precipitados de 500 mL hielo agua Un calentador de inmersión
LAB-PRO Y SENSORES DE TEMPERATURA (ACERO INOXIDABLE)
Para utilizar y calibrar los sensores de temperatura es necesario que conectes dichos sensores como se observa en la figura, abrir el programa LOGGER versión 3.3, si utilizas sensores de temperatura de acero inoxidable al abrir el programa LOGGER versión 3.3, observarás que está aparece en la parte superior izquierda la lectura de la temperatura ambiente y no es necesario calibrar, sin embargo, compara la medición con la del termómetro de bulbo de mercurio midiendo la temperatura ambiente.
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LAB-PRO Y SENSOR DE TEMPERATURA (ACERO INOXIDABLE)
NOTA: Si no vas a trabajar con sensores de temperatura de acero inoxidable entonces consulta el apéndice de esta práctica para la calibración. 2.1 Comparando Temperaturas: 1. Ahora mide de temperaturas utilizando ambos termómetros. Inténtalo con agua de hielo y agua tibia., etc. Llena la siguiente tabla.
Mediciones
Termómetro de bulbo °C ±
Sensor de temperatura °C ±
Agua de hielo Agua tibia
TABLA 2 2.
¿Qué tan cerca está la lectura del sensor de temperatura vs. la de referencia?
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Diferencia °C ±
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NOTA: Si la diferencia es mayor de ± 1 grado Celsius debes revisar si el sensor está bien calibrado. Algunas propiedades importantes de la medición de Temperatura: Existen algunos aspectos que deben tomarse en cuenta al hacer mediciones de temperatura, a fin de realizarlas correctamente. 2.2 Tiempo de Respuesta :
1. Cuando estas enfermo y te toman la temperatura en la boca, para saber si tienes fiebre, ¿se puede hacer la lectura inmediatamente? Explica.
2. Suponiendo que quieres medir la temperatura ambiente con un termómetro que ha estado en agua de hielo. ¿Cuál medición crees que tenga un tiempo de respuesta mayor? Medir la temperatura ambiente del agua, o medir la temperatura ambiente del aire. Explica la razón de tu predicción.
3. Usa el lab-pro y los sensores de Temperatura para verificar tu predicción cuantitativamente, registrando como cambia la temperatura del sensor con el tiempo al ser transferido del agua de hielo a la temperatura ambiente y del agua de hielo al agua a temperatura ambiente: Del agua de hielo a la temperatura ambiente del aire. ∆t (min.) = Del agua de hielo al agua a temperatura ambiente. ∆t (min.) =
Con base en estas mediciones ¿qué aspectos debes cuidar al hacer mediciones de temperatura?
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4. ¿Qué crees que le pasará al tiempo de respuesta del sensor si sólo se encuentra unos cuantos grados abajo de la temperatura ambiente del aire? Pista. Tus gráficas de Temperatura vs. tiempo tienen la respuesta.
¿Recuerdas como se siente cuando sales de la regadera en un día seco? Debes tener cuidado del enfriamiento por evaporación Hay que considerar que no se debe medir temperaturas cuanto la parte sensitiva del termómetro está mojada (especialmente con alcohol).. El liquido en evaporación en el termómetro puede enfriarlo. Los experimentos, de las próximas sesiones serán útiles para entender mejor el fenómeno de enfriamiento por evaporación ya que en ellos se estudia la relación entre la temperatura y el movimiento molecular en una sustancia.
NOTAS:
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TRANSFERENCIA DE CALOR
Actividad 3: Cambios de Temperatura e Interacciones. ¿Podemos contar toda la historia con la temperatura? Sabemos que una sustancia caliente entra en contacto térmico con una mas fría la temperatura de las dos sustancias cambia. Estos cambios de temperatura son fácilmente observables cuando las sustancias son líquidos que pueden mezclarse y también con sustancias que pueden entrar en contacto térmico sin mezclarse unas con otras. ¿Es posible determinar la temperatura final de las sustancias, que entran en contacto térmico, conociendo únicamente la temperatura inicial de éstas? Suponiendo que se tienen dos líquido de masas m1 y m2 en contacto térmico dentro de un contenedor relativamente bien aislado. Se te pedirán algunas predicciones y que verifiques algunas mediciones. Para esta actividad necesitarás: • • • • • • •
• • •
Computadora con Mouse Lab-Pro Sensores de temperatura. Termómetro de bulbo de mercurio Agua a temperatura ambiente, caliente, y fría . Hielo Probeta. Vasos de precipitado de 50 mL, 100 mL Vaso de espuma de poliestireno (unicel ) pequeño (café) Vaso de espuma de poliestireno (unicel) grande con tapa Calentador de inmersión
Recuerda que para el agua 1mL = 1 cm3 ≈ 1g 3.1 Predecir Cambios de Temperatura: 1. Si fueras a colocar dos masas iguales del mismo tipo de líquido, pero que tienen diferentes temperaturas, en contacto térmico ¿Cómo determinas la temperatura final? Por ejemplo, si m1 = m2 = 32 g. mientras que T1 = 5 °C y T2 = 35 °C. ¿Qué esperas le suceda a la temperatura de cada uno de los líquidos después de un tiempo debido al contacto térmico entre ambos? Nota: debes asumir que los líquidos están dentro de un contenedor aislado y no tienen interacción con el medio.
Fig. 1 Dos recipientes de agua a diferentes temperaturas.
2. Si colocas dos masas diferentes, del mismo líquido que se encuentran a diferente temperatura, en contacto térmico, ¿cómo determinas la temperatura final? Por ejemplo si m1 = 16g. y m2 = 32g. mientras que T1 = 5 °C y T2 = 35 °C. ¿Qué le sucederá a la temperatura de cada uno de los líquidos después de un tiempo debido al contacto térmico? Nota: Trata de hacer una predicción cuantitativa. ¿Crees que ambos líquidos tendrán el mismo cambio de temperatura?
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Fig. 2 Dos recipientes de agua en contacto térmico.
3. Explica las razones de tus respuestas en las partes (1) y (2). En base a lo que ya sabes, explica lo que tú crees que esté sucediendo cuando dos líquidos entran en contacto térmico. Describe un posible mecanismo para las interacciones que predices. Explica si crees que es posible predecir las temperaturas finales de ambos líquidos después del contacto térmico, conociendo únicamente las temperaturas iniciales, pero no las masas.
4. Utiliza el material mencionado con anterioridad o cualquier otro aparato disponible para probar tus predicciones de las partes (1) y (2). Esto puede hacerse colocando un vaso de precipitados de 50 mL con agua de hielo dentro de un vaso térmico (vasos blancos de poliestireno o unicel), si es posible pon una tapa. El sensor de temperatura debe mantenerse en cada uno de los vasos. Un monitoreo de la temperatura, en una gráfica, por 4 minutos debe ser suficiente. Describe brevemente el procedimiento que seguiste, y los resultados. De ser posible comparte tus resultados con otros equipos. Recuerda medir el agua con una probeta.
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5. ¿Coincidieron tus observaciones con las predicciones? ¿Existe alguna evidencia de que los líquidos se hayan mezclado o hayan intercambiado materia? Explica cualquier idea nueva que tengas sobre la forma en que la interacción térmica produce un cambio de temperatura. ¿Qué tipo(s) de mecanismo(s) de transferencia de calor observaste en estos experimentos?
De manera inevitable, las partes que conforman un sistema aislado térmicamente, y que tienen diferentes temperaturas van a interactuar hasta que todo el sistema tenga la misma temperatura. Este es un proceso misterioso, ya que las interacciones que producen los cambios de temperaturas en dos partes del sistema, hasta que este alcanza el equilibrio térmico, no presentan intercambios de materia. Por los experimentos realizados debes haber notado que las masas relativas de las partes del sistema aislado térmicamente afectan el valor final de la temperatura de equilibrio. Por lo tanto la interacción entre dos partes del sistema no puede explicarse como un simple intercambio de temperatura. Necesitamos crear un nuevo concepto que nos ayude a entender los procesos de calentamiento y enfriamiento. En este contexto los científicos han inventado el término de calor. El uso del término calor puede ser confuso, ya que el uso de éste término para explicar cambios de temperatura implica el intercambio de una sustancia entre dos partes del sistema. La palabra calor es realmente una abreviatura mala del proceso de interacción que lleva a cambios de temperatura. Hay que recordar que estás tratando con un proceso más que con una sustancia y que nos vamos a referir a la transferencia de calor y no simplemente al calor. ¿Qué es la transferencia de calor? ¿Puede ocurrir sin intercambio de materia? A continuación vamos a tratar de entender más acerca de la naturaleza de la transferencia de calor, a explorar la posibilidad que sea un forma de intercambio de energía y a cuantificar la cantidad de calor que se transfiere en diferentes procesos.
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3.2 Rapidez de enfriamiento: Antes de explorar los aspectos cuantitativos de la transferencia de calor y su naturaleza, vamos a analizar la rapidez a la cual tienen lugar tanto el calentamiento como el enfriamiento, bajo diferentes condiciones. Todos sabemos que una taza de agua caliente eventualmente se enfriará a la temperatura ambiente, mientras que una taza de agua con hielo se calentará. ¿Cuál es la temperatura final? ¿De qué depende la rapidez a la cual la temperatura, de un objeto, cambia? Expresado matemáticamente, nos estamos preguntando: ¿Cuál es la relación para la rapidez R, dada por la derivada de la temperatura, T. con respecto al tiempo t?
Ec. (1) El siguiente experimento se realizará a nivel teórico pero debes plantear el sistema termodinámico que vas a analizar: Imagina que puedes calentar cualquier clase de líquido (agua, miel, mercurio, plomo fundido, etc.) y colocarlo en un recipiente, establece qué recipiente y si está abierto o cerrado, supón que tienes un cuarto aislado que puede mantenerse a cualquier temperatura, que sea razonable. Por lo tanto se puede enfriar a O °C o calentar a 35 °C. 1. Si se calienta la sustancia a 50 °C y su coloca en el cuarto aislado, ¿cual será la temperatura final del objeto? ¿Habrá transferencia de calor al cuarto? ¿La temperatura del cuarto se elevará? Explica tus respuestas en base a tus predicciones y observaciones en las partes (1) y (2) de la actividad 3.1.
Fig. 3. Cuarto con aislamiento ideal, en el que se puede variar la temperatura y colocar diferentes que contienen los diferentes recipientes.
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sustancias
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2. De acuerdo al sistema termodinámico que planteaste, enumera al menos cuatro o cinco variables de las que dependa la rapidez de enfriamiento de un objeto en el cuarto.
3. Describe una situación en la cual tu esperas que la rapidez inicial de enfriamiento se rápida y una en la cual la rapidez inicial de enfriamiento sea lenta.
3.3 Explorando la rapidez de Enfriamiento: Para poder explorar con la rapidez de enfriamiento puedes utilizar el siguiente equipo • • • • • •
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Computadora con mouse. . Lab-Pro Sensores de temperatura Vaso de precipitados Vaso de espuma de poliestireno (unicel) Probeta
Calentador de inmersión Agua Una cubeta hielo.
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1. Si colocas dos masas iguales (50g) de agua caliente (80 °C) en dos vasos, uno de vidrio y uno de plástico (poliestireno), y ambos los introduces en un baño de agua de hielo, ¿cuál se enfría más rápido? Nota: Agita los recipientes mientras ocurre el enfriamiento. Recuerda medir la masa del agua con la probeta.
2. Utilizando ambos sensores monitorea simultáneamente el enfriamiento de los dos vasos de agua por espacio de 6 minutos. Puedes introducir los dos vasos en una cubeta con hielo y agua. Agita o revuelve el líquido durante todo el periodo de enfriamiento. Si no puedes imprimir tus gráficas, copia unos 10 puntos a lo largo de toda la curva para que puedas reproducirla después.
Fig. 4 Recipiente dentro del baño de hielo. 3.
¿Fue correcta tu predicción? Explica.
4. Acabas de probar el efecto que el material del recipiente tiene en la rapidez de enfriamiento del agua. Diseña un experimento simple para verificar las otras variables que enumeraste en el punto (2). Si es posible imprime las gráficas, sino utiliza el procedimiento alterno. Incluye una breve explicación de lo que hiciste y los resultados obtenidos. ¿Fueron correctas tus predicciones? Explica.
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Actividad 4. Equilibrio Térmico y Flujo de Calor A partir de las actividades anteriores ya sabes que los objetos calientes se enfrían hasta alcanzar la misma temperatura de los objetos que los rodean, (este proceso lo definiremos como alcanzar el Equilibrio Térmico.) En esta actividad vamos a examinar como un líquido caliente, por ejemplo una taza de café caliente, que se encuentra sobre una mesa, en un cuarto como el laboratorio, se enfría. También vamos a estudiar que le sucede a los objetos que se encuentran cerca cuando algo se enfría. A partir de las observaciones como estas, la mayoría de la gente llega a la conclusión de que los objetos a diferentes temperaturas interaccionan unos con otros a través del flujo de algo que pasa de objetos más calientes a otros más fríos. Empecemos con algunas predicciones. Supón que tienes una taza de chocolate o café caliente. La colocas en la mesa del laboratorio y la dejas ahí por un cierto tiempo. 1. ¿Qué tanto puede enfriarse el café?
2. ¿Hacia donde se irá el calor a medida que el líquido se enfría?
3. ¿Dibuja una gráfica preliminar de como cambiará la temperatura del café con el tiempo. (Puedes asumir que la temperatura inicial del líquido es de 80 °C y la temperatura ambiente 20°C.)
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4. La rapidez a la cual se enfría el café es siempre la misma, o cambia a medida que se enfría. Si cambia, ¿es la rapidez mayor cuando está más caliente o más frío?
Para probar tus predicciones necesitarás: • • • • • • •
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Computadora con mouse. . Lab-Pro Sensores de temperatura Termómetro de bulbo de mercurio Agua Vaso de precipitados de 100 mL Probeta
Calentador de inmersión
4.1 Enfriando agua - Un registro de la temperatura: 1. Conecta los sensores al Lab-Pro, recuerda verificar las temperaturas con un termómetro de bulbo de mercurio. Mide la temperatura ambiente (del aire) con el sensor 1 y regístrala en la columna 1 de la tabla siguiente. 2. En un vaso de precipitados de 100 mL, coloca 50g de agua caliente (80 °C o más) recuerda medir la masa de agua con la probeta. 3. Observa la Fig. 5 para comprender qué mediciones de temperatura (alrededor del vaso) vas a realizar. 4. Utilizando el sensor 2 trata de encontrar hacia donde fluye el calor a medida que el agua caliente se enfría, y averiguar que es lo que se está calentando. Con el sensor 1 sigue registrando la temperatura del agua. 5. Llena la siguiente tabla con los valores del sensor 2, una vez al principio del experimento, y después de 5 minutos. Para cada lectura, debes esperar suficiente tiempo para que el sensor alcance la temperatura que tu quieres medir. Llena primero la columna 1, después la columna 2.
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Temp. Al Inicio del Exp. (Col. 1)
Temp. después de 5 min. (Col. 2)
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Temp. después de 10 min. (Col.3)
Temp. después de 20min. (Col.4)
Sensor 1 Temp. Ambiente. Temp. del agua. Sensor 2 : (1) Aire arriba del agua caliente. (2) Un lado de la taza. (3) Temp. del aire cerca del lado de la taza (4) Temp. de la mesa cerca de la taza. (5) Temp. de la mesa bajo la taza.
Tabla 3. Registro de las temperaturas en las cercanías de la taza de agua caliente.
Fig. 5. Taza de agua caliente.
6. Calcula el cambio de temperatura del agua en los primeros 5 minutos y en los últimos 10 minutos. Temperatura en los primeros 5 min: ___________________ °C Temperatura en los últimos 10 min : ___________________ °C 7. Deja el recipiente de agua enfriarse por el resto de la sesión, y mide su temperatura, también mide la temperatura ambiente. Registra los valores en la tabla #3. 2006 Física, Departamento de Física y Matemáticas. Universidad Iberoamericana. México D.F.
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8. A medida que la temperatura del agua caliente disminuye, alguna de las otras mediciones de temperatura que realizaste empieza a subir (En relación con la temperatura ambiente), explica. ¿De acuerdo a tus mediciones que objetos tuvieron el mayor incremento de temperatura?
9. ¿Existe alguna evidencia de que algo fluye entre el agua caliente y los alrededores, a medida que ésta se enfría? ¿Existe algún intercambio de materia (de agua) con los alrededores, que esté asociado con el cambio de temperatura del agua? ¿Qué tipo(s) de mecanismo(s) de transferencia de calor observaste en este experimento?
10. ¿Cuándo se registró una mayor caída en la temperatura, en los primeros 5 minutos o en los últimos 10?, ¿Por qué crees que suceda esto?, ¿Qué concluyes acerca de la rapidez de enfriamiento del agua a medida que la temperatura de la misma disminuye?
11. Con los datos registrados en la Tabla #3 gráfica tus datos de Temperatura vs. tiempo en una sola hoja y analiza tus resultados.
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APÉNDICE 1: Si utilizas LAB-PRO con sensores de temperatura Standard deberás calibrar los sensores de la siguiente manera: 1. Abrir el programa Logger versión 3.3 2. Seleccionar el icono de Lab-Pro y dar click.
3. Aparecerá esta pantalla en donde se indica en CH-1 deberás seleccionar con choose sensor → Temperature → Standard Temperature, dar click en CH-1 y CALIBRATE. 4. Para calibrar debes colocar los sensores de temperatura y el termómetro de bulbo de mercurio dentro del vaso de precipitados con agua con hielos y esperar a que channel input se estabilice, dar valor de punto mínimo (agua con hielo) → KEEP, ahora coloca los sensores y el termómetro de bulbo en agua caliente (mínimo 70 °C), esperar a que channel input se estabilice, dar valor del punto máximo (agua caliente) → KEEP → OK. 5. Dar click en CH-2, seleccionar choose sensor → Temperature → Standard Temperature, dar click en CH-2 y CALIBRATE, repite el mismo proceso realizado en el inciso 4 y al terminar aparecerán en la pantalla los valores de temperatura de los dos sensores, en los que no debe haber una diferencia de ±1°C, de ser así es recomendable volver a calibrar.
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