Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA INTERDISCIPLINARIA LABORATORIO DE CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS!
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA INTERDISCIPLINARIA LABORATORIO DE CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS Decano Dr. ANGEL BUSTAMANTE DOMINGUEZ Coordinador del Departamento Académico de Física Interdisciplinaria Lic. Lucas Alvarado Pinedo Jefe del Laboratorio de CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS Lic. Pablo Ciro Alarcón Velazco Adjuntos de Laboratorio de CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS Lic. Marian Mejía Santillán Lic. Mabel Tesillo Quispe Bach. Vanessa Navarrete Sotomayor MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II NOVENA EDICIÓN Editores: Revisión: Vanessa A. Navarrete Sotomayor Carolina Trujillo Saenz José Carlos Eche Llenque Mirian Mejia Santillan Luis Vilcapoma Lázaro Vanessa A. Navarrete Sotomayor Mirian Mejia Santillan José Carlos Eche Llenque Luis Vilcapoma Lázaro Mabel Tesillo Quispe Fanny Mori Escobar Lima, marzo del 013
Contenido Experiencia Nº 1 Constantes Elásticas de los Materiales 3 Experiencia Nº Experiencia de Melde 9 Experiencia Nº 3 Oscilaciones 14 Experiencia Nº 4 Densidad de los Sólidos y Líquidos 18 Experiencia Nº 5 Tensión Superficial 4 Experiencia Nº 6 Viscosidad 30 Experiencia Nº 7 Dilatación Térmica de Sólidos y Líquidos 34 Experiencia Nº 8 Calor Absorbido/Disipado y Convección 39 Experiencia Nº 9 Cambio de Fase de la Naftalina 51 Experiencia Nº 10 Calores específicos 55 Apéndice 59 Bibliografía 61
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición CONSTANTES ELÁSTICAS DE LOS MATERIALES EXPERIENCIA N 01 I. OBJETIVO Observar las características y condiciones de un resorte en espiral. Determinar la constante elástica del resorte en espiral. II. MATERIALES / EQUIPOS Soporte universal 1 Resorte en espiral de acero 1 Regla graduada de 1m de longitud 1 Juego de pesas más portapesas 1 Regla metálica de 60cm de longitud Sujetadores (nuez o clamp) 1 Balanza de precisión de 3 ejes 1 varillas cuadradas de metal 1 pinza III. FUNDAMENTO TEÓRICO Los sólidos cristalinos, en general, tienen una característica fundamental denominada Coeficiente elástico, que aparece como consecuencia de la aplicación de fuerzas externas de tensión o compresión, que permiten al cuerpo de sección transversal uniforme, estirarse o comprimirse. Se dice que un cuerpo experimenta una deformación elástica, cuando recupera su forma inicial al cesar la fuerza que la produjo. Para poder comprobar este hecho notable, usaremos un resorte en espiral, al cual aplicaremos masas sucesivas y de acuerdo a la Ley de Hooke: F(N) k=cte.=pendiente= F/ x F = -κ x Hallaremos su constante elástica k, la cual se obtendrá como la pendiente de la gráfica F vs x, donde F es la fuerza aplicada y x el estiramiento del resorte en espiral desde su posición de equilibrio. x F x(m) Las características elásticas de un material homogéneo e isotrópico quedan completamente definidas si se conocen las constantes elásticas: Módulo de Young (E) y el Coeficiente de Poisson (σ) Cuando se flexiona una varilla, experimenta un alargamiento por su parte convexa y una contracción por la cóncava. El comportamiento de la varilla está determinado por el módulo de Young del material de que está hecha, de modo que el valor de dicho módulo puede determinarse mediante experimentos de flexión. EXP. N 01 CONSTANTE ELÁSTICA DE UN RESORTE 3
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición Utilizaremos una regla metálica, de sección transversal rectangular apoyada sobre dos extremos. Si se aplica una fuerza vertical (F) en el punto medio de la regla, la deformación elástica que esta experimenta es un descenso de dicho punto, llamada flexión (s), que por la ley de Hooke, es proporcional a la fuerza aplicada: s = κ F siendo k, la constante elástica que depende de las dimensiones geométricas de la varilla y del módulo de Young (E) del material: 3 1 L = 4E ab s 3 siendo: L la longitud de la varilla a: el ancho de la varilla b: la altura o espesor de la misma Si F se mide en N. Y todas las longitudes en mm, entonces el módulo de Young se expresará en N/mm. F IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 1. Utilice la balanza para determinar los valores de las masas del resorte y del portapesas. m ( Resorte ) = m ( Porta pesas ) =. Cree Ud. que le servirán de algo estos valores? Por qué?.......... Cuelgue al resorte de la varilla y anote la posición de su extremo inferior. Posición 1:.. 3. Coloque el portapesas en el extremo inferior del resorte y anote la posición correspondiente. Posición :.. 4. Coloque una pesa pequeña [ m... kg ] correspondiente. Posición 3:.. = en el portapesas y anote la posición EXP. N 01 CONSTANTE ELÁSTICA DE UN RESORTE 4
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición Marque con un aspa cuál será en adelante su posición de referencia. 1 3 Por qué considera dicha posición?... 5. Adicione pesas a el portapesas, cada vez de mayores masas. En la Tabla 1 anote los valores de las posiciones x 1 correspondientes (incluida la posición de referencia). 6. Retire una a una las pesas del portapesas. Anote las posiciones x correspondientes y complete la tabla 1. x Recuerde que, 1 + x x = donde: x 1 es la longitud cuando aumenta el peso x es la longitud cuando disminuye el peso Grafique la magnitud de la fuerza F versus la elongación media x. Aplicando el método de mínimos cuadrados encuentre la curva de mejor ajuste. (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados) Interprete físicamente la curva que encontró......... Determine la constante elástica k del resorte; k =. Tabla 1 N m (kg) x 1 (m) x (m) x (m) F (N) 1 3 4 5 6 7 EXP. N 01 CONSTANTE ELÁSTICA DE UN RESORTE 5
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición MONTAJE Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 1. Mida las dimensiones geométricas de la regla metálica: Longitud (L): Ancho (a): Espesor (b):... Coloque la regla metálica en posición horizontal, apoyándola de modo que las marcas grabadas cerca de los extremos de esta descansen sobre las cuchillas. 3. Determinar la posición inicial del centro de la varilla con respecto a la escala vertical graduada. Posición inicial: 4. Vaya cargando gradualmente la varilla, por su centro, y midiendo las flexiones correspondientes (s ). Anote los resultados en la tabla.l 5. Una vez que considere haber obtenido una deformación suficiente, descargue gradualmente la varilla, midiendo y anotando las flexiones correspondientes (s ) 6. Con los resultados obtenidos, calcule el valor promedio de los pares de s y s para cada carga. Anote en la Tabla. N 1 3 4 5 6 7 Carga m (kg) Tabla s (mm) s (mm) s (mm) EXPERIMENTO Nº 01 CONSTANTE ELÁSTICA FECHA: ALUMNO: MATRÍCULA: VºBº del Profesor EXP. N 01 CONSTANTE ELÁSTICA DE UN RESORTE 6
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición V. EVALUACIÓN 1. Con los datos de la tabla 1, determinar la constante elástica en forma analítica.......... Graficar en papel milimetrado F(N) vs x(m) y calcular gráficamente la constante elástica......... 3. Usando los datos de la tabla 1 calcular la constante elástica por el método de mínimos cuadrados......... 4. Hallar el Error porcentual (E % ), considerando como valor teórico el valor de la constante elástica hallada por el método de mínimos cuadrados......... 5. Determinar el K eq para resortes colocados en serie y paralelo respecto a una masa......... 6. Analice la razón existente de la diferencia de la constante elástica de dos diferentes resortes en espiral......... 7. Analizar y verificar la diferencia existente entre un muelle tipo espiral y un muelle tipo laminar o de banda......... 8. Por qué el esfuerzo a la tracción es positivo y el esfuerzo a la compresión es negativo?........ 9. Analice las fuerzas de cohesión y fuerzas de adherencia. Dé ejemplos........ EXP. N 01 CONSTANTE ELÁSTICA DE UN RESORTE 7
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición 10. Determine para la regla metálica el valor del módulo de Young (E) en N/m......... 11. Cuánto vale la energía elástica acumulada en esta barra en la máxima deformación?........ VI. CONCLUSIONES......... VII. SUGERENCIAS / RECOMENDACIONES......... EXP. N 01 CONSTANTE ELÁSTICA DE UN RESORTE 8
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición EXPERIENCIA DE MELDE (MOVIMIENTO VIBRATORIO) EXPERIENCIA N 0 Franz Melde (11 marzo 183-17 marzo 1901) Físico alemán muy conocido por un experimento que realizó sobre las ondas estacionarias. El experimento de Melde se utiliza para determinar el patrón de las ondas estacionarias, medir la velocidad de una onda además de reconocer el fenómeno de la interferencia de ondas mecánicas. I. OBJETIVO Investigar las ondas producidas en una cuerda vibrante. II. EQUIPOS / MATERIALES 1 Vibrador eléctrico 1 Cuerda delgada 1 Soporte universal y polea 1 Regla de madera / metálica Juego de pesas y portapesas 1 Balanza digital III. FUNDAMENTO TEÓRICO ONDAS TRANSVERSALES EN UNA CUERDA El extremo de una cuerda ligera y flexible se ata a un vibrador de frecuencia f, el otro se fija a un portapesas y se hace pasar a través de una polea fija, como se muestra en la Figura 1. Las vibraciones producidas en el vibrador eléctrico perturban la cuerda, formando ondas que viajan hacia la polea donde se reflejan y vuelven a reflejarse en el otro extremo de la cuerda; así continúa su movimiento reiteradamente en el tiempo. Estas son ondas llamadas estacionarias, se obtienen sólo para tensiones apropiadas de la cuerda. Se observan puntos de vibración de elongaciones nulas (nodo) y máximas (amplitud o antinodo). La distancia entre dos antinodos es media longitud de onda (λ / ). EXP. N EXPERIENCIA DE MELDE 9
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición ANÁLISIS En el diagrama de la Figura se indican las fuerzas que actúan en los extremos de una pequeña porción de la cuerda, de peso despreciable. AB : Porción de cuerda, T, T ': Tensiones Observe que debido a la curvatura de la cuerda, las dos fuerzas realmente no son directamente opuestas. En el eje x, no hay desplazamiento de la porción de cuerda, por lo tanto: T ' = T X X En el eje y se tiene: T ' y = Tsenα' T ' y = Tsenα La resultante de la porción: AB es, = T ( senα' senα) F y Considerando que α, α ' son ángulos pequeños, de la figura se tiene: F y = T ( tgα ' tgα), F y = T ( tgα ) = T ( tgα ) dx x tgα f ( x, t), tg α = ξ ξ ξ es la pendiente F y = T dx = T dx x x x x Usando la segunda ley de Newton: dx ξ ξ ξ T ξ ρ = T dx o = t x t ρ x ξ ξ Comparándola con la ecuación de la onda, = υ t x Se encuentra la velocidad de la onda en función de la tensión T aplicada y la densidad lineal de masa ρ de la cuerda (kg/m), υ = T / ρ. La velocidad en función de la longitud de la onda y la frecuencia es, υ = νλ De estas dos últimas relaciones se obtiene tensión aplicada en términos de la λ producida T = ρν λ EXP. N EXPERIENCIA DE MELDE 10
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE Tome la cuerda completa, mida su masa, longitud y densidad. masa m = C kg. longitud L = m. densidad ρ = kg/m. Monte el equipo según el diseño experimental de la figura 1, tal que la polea y el vibrador queden separados aproximadamente 1,5 m y la cuerda en posición horizontal. Dibuje y describa una onda. Enuncie sus características:.... 1. Coloque en el portapesas, pesas adecuadas buscando generar ondas estacionarias de 7 u 8 crestas (encontrará que la magnitud del peso es igual a la magnitud de la tensión en la cuerda, mg = T ). Mida la longitud de onda λ producida (distancia entre nodo y nodo o entre cresta y cresta). Qué son ondas estacionarias?...... Adicione pesas a fin de obtener ondas estacionarias de 6, 5, 4 y 3 antinodos. Mida la longitud de onda siguiendo el procedimiento anterior. Anote los valores correspondientes en la Tabla 1. Tabla 1 Nº de cresta T (N) λ (m) λ (m ) 3 4 5 6 7 8 3. Haga una gráfica T versus λ. Analice y describa las características de la gráfica. (Pegue su gráfica aquí) EXP. N EXPERIENCIA DE MELDE 11
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición 4. Grafique T versus λ. Encuentre la curva de mejor ajuste usando el método de mínimos cuadrados. (Pegue aquí) 5. Analice y describa la gráfica........... 6. De la curva obtenida, determine la pendiente y encuentre la frecuencia de la onda......... 7. Compare las gráficas de los pasos 4.3 y 4.4. Comente:...... EXP. N EXPERIENCIA DE MELDE FECHA: ALUMNO: MATRÍCULA: VºBº del Profesor V. EVALUACIÓN 1. Qué relación existe entre una curva senoidal y una onda?....... EXP. N EXPERIENCIA DE MELDE 1
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición. Qué es un frente de onda?...... 3. Qué da lugar a una onda estacionaria?...... 4. Explique la diferencia entre una onda transversal y una longitudinal....... 5. Qué aplicaciones hay en la actualidad del experimento de Mendel?.... VI. CONCLUSIONES.......... VII. RECOMENDACIONES...... EXP. N EXPERIENCIA DE MELDE 13
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición OSCILACIONES EXPERIENCIA N 03 I. OBJETIVO Investigar sobre el movimiento armónico simple (MAS) de cuerpos elásticos. II. MATERIALES / EQUIPOS 1 Soporte universal. 1 Resorte de acero. 1 Regla milimetrada. 1 Juego de pesas más portapesas. 1 Balanza digital. 1 Cronómetro. III. FUNDAMENTO TEÓRICO Un movimiento periódico de un sistema es aquel que se repite continuamente en intervalos iguales de tiempo. Siempre tiene una posición de equilibrio. Un movimiento oscilatorio periódico se dice que es armónico cuando la información que se obtiene en cada oscilación es la misma. El tiempo que dura una oscilación se llama PERÍODO (T). El número de oscilaciones en el tiempo es la FRECUENCIA (f). El desplazamiento desde el punto medio de la trayectoria se denomina ELONGACIÓN (x). La elongación máxima es la AMPLITUD (A). Un tipo de movimiento oscilatorio lineal resulta cuando la fuerza actuante es opuesta y proporcional al desplazamiento (recuperadora), esto es, F = kx (ley de Hooke). Este tipo de movimiento se denomina armónico simple (MAS). Cinemática del MAS. Las cantidades cinemáticas del MAS son las siguientes: Posición x = Asen ( ω t + α ) (1a) Donde: A es la amplitud, ω = π / T es la frecuencia angular, t el tiempo y α la fase inicial. Velocidad v = ω A cos( ω t + α ) (1b) Aceleración a = ω Asen ( ω t + α ) = ω x (1c) Dinámica del MAS. Las cantidades dinámicas del MAS son las siguientes: Fuerza Elástica: F = kx () d x Fuerza Inercial: F = m dt (a) De las ecuaciones (), d x m dt = kx (3a) d x + ω x = 0 dt (3b) EXP. N 03 OSCILACIONES 14
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición Donde ω = ( k / m ) 1 / La ecuación (1a) satisface a (3b), y precisamente es su solución; se cumple cuando el bloque se mueve alrededor del punto de equilibrio. IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 1. Determine los valores de las masas del resorte y de la pesa. m ( Resorte ) = m ( suspendida ) =. Cree Ud. que le servirán de algo estos valores? Por qué?....... Escriba el valor de la constante elástica del resorte (obtenida en la experiencia N 1 Constante elástica de un resorte): k =. Determinación del Periodo de Oscilación El período de oscilación del sistema se determina mediante la ecuación: m r m + T = π 3 k 3. Coloque en el portapesas una pesa pequeña. Anote su masa más la masa de la porta pesas en la tabla. La distancia a su anterior posición de equilibrio es: X 3 =. 4. Desplace verticalmente esta pesa una distancia pequeña A =. y déjela oscilar libremente (evite que se produzcan movimientos laterales y perturbaciones). Describa el tipo de movimiento del sistema:........ 5. Calibre el cronómetro a cero. Repita el paso 4. Luego mida el tiempo para diez oscilaciones empezando a contar desde cero y determine el periodo de oscilación ( T = t / 10 ). Anote sus datos en la Tabla. EXP. N 03 OSCILACIONES 15
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición 1 3 4 5 m (kg) (Pesa + Porta pesa) Tabla 1 t (10 osc.) T (s) T (s ) 6. Repita los pasos (3) al (5) utilizando cada vez pesas de mayor valor. Anote los datos en las columnas correspondientes y complete la Tabla 1. Haga los siguientes gráficos: T versus m, T versus m. (Pegue aquí sus gráficas) Ambas gráficas son rectas?....... Analice por qué son así estas curvas:........ A partir de la gráfica T versus m, determine el valor de la masa del resorte.......... Determine la frecuencia angular natural de oscilación. Opere:.......... ω = 7. En lugar del portapesas coloque, en el extremo inferior del resorte, una pesa (de masa 1/ kg o 1 kg). Suéltela cuidadosamente desde diferentes posiciones y observe su movimiento en cada caso. Cuál es su conclusión sobre el periodo de oscilación?.......... Influye el cambio de amplitud en el periodo?.. Influye el cambio de pesas en el periodo de oscilación? EXP. Nº 03 OSCILACIONES FECHA: ALUMNO: MATRÍCULA: VºBº del Profesor EXP. N 03 OSCILACIONES 16
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición V. EVALUACIÓN 1. Determine el error porcentual entre el valor de la masa del resorte medida en la balanza y de la masa del resorte encontrada en la gráfica....................... Determine el error porcentual en el periodo calculado y el periodo medido......... 3. Hay diferencia? Si fuere así, a qué atribuye usted esta diferencia?.................... VI. CONCLUSIONES........................................ VII. RECOMENDACIONES........................................ EXP. N 03 OSCILACIONES 17
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS EXPERIENCIA N 04!! "# $ % & '()! '(*) $ #! +#,-&&. /! 0 $" " +#, &.$1 I. OBJETIVO Determinar la densidad de tres bloques de metal por dos métodos diferentes, identificar el material con el cálculo de esas densidades y comparar los resultados. Determinar la densidad de los líquidos por dos métodos y comparar los resultados con las densidades medidas con el densímetro. II. EQUIPOS / MATERIALES 1 Calibrador pie de rey (Vernier) 1 Balanza de tres barras 1 Cuerda delgada 1 Probeta graduada 3 Cilíndricos metálicos 1 Picnómetro 1 Densímetro Agua potable Alcohol metílico III. FUNDAMENTO TEÓRICO Cuando un cuerpo de forma arbitraria de masa m, y volumen V C se sumerge totalmente en un líquido de densidad ρ L contenido en un recipiente, desplazará un volumen V L, este volumen desplazado será igual al volumen del cuerpo sumergido. V = V. El cuerpo de peso W al sumergirse experimentará una disminución aparente de su peso (W ) debida al empuje (E). L C W ' E W Figura 1 EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 18
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición De la Figura 1 se cumple, Luego, W ' = W E E = W W ' (1) En virtud del principio de Arquímedes la magnitud del empuje sobre el cuerpo es igual al peso del líquido desalojado por el mismo. E = m g = V g () L ρ L m L es la masa de líquido desalojado, g es la aceleración de la gravedad, ρ L es la densidad del líquido, V L es el volumen del líquido desalojado. Igualando (1) y (), se obtiene : L ρ V L g = W W' (3) L Pero: V L = V = m / ρ (4) C C Donde: V C es el volumen del cuerpo, m es la masa del cuerpo ρ C es la densidad del cuerpo Reemplazando (4) en (3) y despejando ρ C, se obtiene, W ρ = C ρ L W W ' (5) Con esta ecuación (5) se puede calcular la densidad del cuerpo (si se tiene la densidad del líquido) o la densidad del líquido (si se tiene la densidad del cuerpo). IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 - MÉTODO DIRECTO 1. Usando la balanza de tres barras determine la masa de cada cilíndrico. Repita esta operación cinco veces. Anote los datos en la Tabla 1 y sus errores correspondientes.. Usando el calibrador pie de rey, mida las dimensiones de cada cilindro y evalúe sus volúmenes. Realice esta operación cinco veces para cada cilindro. Anote los datos en la Tabla. EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 19
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición TABLA 1 1 3 4 5 m ± m m 1 (kg) m (kg) m 3 (kg) TABLA 1 3 4 5 x ± x V 1 (m 3 ) V (m 3 ) V 3 (m 3 ) h 1 (m) d 1 (m) h (m) d (m) h 3 (m) d 3 (m) Donde x es h y d respectivamente 3. Determine la densidad de cada bloque a partir de los datos de las Tablas 1 y complete la Tabla 3. TABLA 3 CILINDRO 1 CILINDRO CILINDRO 3 m m ± (kg) V ± V (m 3 ) ρ ± ρ (kg/m 3 ) Ahora, con ayuda de su profesor determine las densidades de los líquidos con el densímetro del aula. Densidad del Agua (g/ml) Densidad del Alcohol (g/ml) Densidad del Ron (g/ml) EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 0
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición MONTAJE - MÉTODO DE ARQUÍMEDES 1. Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la Figura. Asegúrese que la balanza de tres barras se encuentre estable y calibrada.. Coloque 60 ml de agua en la probeta graduada. 3. Sujete un bloque con una cuerda, el otro extremo de la cuerda átelo al eje inferior de la balanza, como muestra la Figura. 4. Sumerja completamente cada cilindro en el agua contenida en la probeta, cuide que los cilindros no toquen ni el fondo ni las paredes de la probeta. Registre los pesos aparentes W i en la Tabla 4. TABLA 4 1 3 4 5 W ± W CILINDRO 1 CILINDRO CILINDRO 3 W 1 (N) W (N) W 3 (N) 5. A partir de los datos de la Tabla 1 determine el peso real W de cada cilindro y anótelos en la Tabla 5, además, registre los pesos aparentes obtenidos en la tabla 4 y utilizando la ecuación de Arquímedes (ecuación 05) calcule la densidad para cada cilindro. Considere el valor de la densidad del agua, el obtenido con el densímetro. TABLA 5 CILINDRO 1 CILINDRO CILINDRO 3 W + W (N) W ' ± W `(N) ρ ± ρ (kg/m 3 ) EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 1
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE LÍQUIDOS 1. Con ayuda del picnómetro halle las densidades del Alcohol (L 1 ) y el Ron (L ), para ello llene el picnómetro con el líquido del cual se desea medir su densidad, coloque la tapa y asegúrese que el capilar de la tapa esté con el líquido al ras, de esa manera el volumen indicado en el picnómetro será el volumen del líquido.. Mida la masa del picnómetro con y sin el líquido, la diferencia de esas masas será la masa del líquido. 3. Ahora con esos datos puede calcular la densidad de los líquidos. Tabla 6 Densidad L 1 Densidad L 4. Escoja un cilindro y repita los pasos del montaje, y anote sus mediciones en la tabla 6. Tome como dato de la densidad del cilindro el valor dado en la tabla 5. NOTA: En estos pasos cada mesa trabajará con un cilindro de material diferente. TABLA 7 CILINDRO 1 3 4 5 W ± W L 1 L W 1 (N) W (N) EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS FECHA: ALUMNO: MATRÍCULA: V.B EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición V. EVALUACIÓN 1. A partir del valor de la densidad del cilindro obtenido en la Tabla 5, y aplicando la ecuación (5), halle el valor de la densidad del líquido. Complete la tabla 8. Y calcule el error porcentual para el alcohol si su densidad teórica es 0,816x10 3 kg/m 3. L 1 L TABLA 8 W ± W (N) W ' ± W ' (N) ρ ± ρ (kg/m 3 ). Con las densidades de los líquidos obtenidas con los densímetros en la tabla 6 calcular la densidad del cilindro utilizado por el método de Arquímedes (ec.5). 3. Busque en tablas de densidades estándar los valores para los cilindros y los líquidos trabajados en clase y calcule el error porcentual para el método clásico hallado en la tabla 3. 4. Calcule el error porcentual para las densidades halladas por el método de Arquímedes de la tabla 7. 5. Enuncie y describa tres métodos para el cálculo de densidad de los líquidos. VI. CONCLUSIONES.. VII. RECOMENDACIONES. EXP. N 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 3
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición TENSIÓN SUPERFICIAL EXPERIENCIA N 05 Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos. I. OBJETIVO Determinar el coeficiente de tensión superficial de los líquidos, utilizando el método de Rayleigh (clásico) y mediante el uso de un equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit). II. EQUIPOS / MATERIALES Método Rayleigh (Clásico) 1 Soporte universal 1 Clamp 1 Bureta, medir diámetro externo 1 Termómetro 1 Vaso de precipitados Líquidos: agua, alcohol, ron Equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit) 1 Aro de medida de tensión superficial, 1 Varilla de 5 cm de diámetro promedio 19.5 mm. 1 Clamp 1 PC con Windows XP/Windows 98. 1 Plataforma de elevación vertical 1 Cobra3 Basic-Unit 1 Cubeta Petri, d= 0cm 1 Fuente de poder de 1 V/A 1 Paño 1 Software Cobra3 Force/Tesla 1 Probeta de 100 ml 1 Módulo de medición de Newton 1 Accesorios de conexión 1 Sensor Newton 1 Trípode Base 1 Cronómetro III. FUNDAMENTO TEÓRICO Las fuerzas moleculares que rodean una molécula en el interior de un líquido actúan sobre ella desde todos lados; ejerciéndose una presión isotrópica. La fuerza resultante que actúa sobre una molécula localizada en la capa superficial no es cero, debido a que la resultante está dirigida hacia el interior del líquido, como se ilustra en la figura 1. Figura 1 EXP. N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL 4
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición Método de Rayleigh Del análisis de la dinámica presente en la formación de una gota que se desprende de un tubo cilíndrico de radio R, para un líquido que tiene un coeficiente de tensión superficial α ; se observa que mientras la gota no se desprenda, tomará una forma tal que la componente vertical de la fuerza de tensión superficial se equilibra con su peso; la componente vertical de la fuerza de tensión superficial alcanzará su valor máximo en el instante justo antes de que la gota se desprenda; en el momento que se desprende se cumple a la siguiente relación: mg = π R α (1) α = 1 π mg R Donde: m es la masa de la gota, R es el radio externo de la punta de la bureta, y α es el coeficiente de tensión superficial de líquido. Debido a la condición de mínimo, las gotas de agua adoptan la forma esférica. A partir de la ecuación (1) se podría determinar α, pero como ahí no se ha tenido en cuenta el trabajo de deformación cilindro esfera, el valor que se obtuviera no sería exacto. Rayleigh retocó esta expresión, y encontró un modo empírico para determinar α. Rectificó las constantes y llegó a la ecuación: 5 = 19 mg R () α (3) Considerando un líquido de volumen V, de densidad ρ, y que en él hay un número N de gotas, la masa de cada gota será: Por lo tanto se encuentra que: α = m 5 19 ρ V = (4) N ρv N g R (5) EXP. N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL 5
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 Método de Rayleigh Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la figura. Vierta en la bureta el líquido cuya tensión superficial desea determinar. 1. Mida la temperatura del líquido del interior de la bureta. Anote el valor correspondiente en la Tabla 1. Figura. Use el vaso de precipitados como depósito de descarga del líquido de la bureta. 3. Tome dos puntos A y B como niveles de referencia. 4. Cuente el número de gotas de la porción de líquido entre los niveles de referencia. Repita este procedimiento no menos de 5 veces. Cada vez anote en la Tabla 1 el número de gotas para el volumen escogido. 5. Repita los pasos del 1 al 5 para otros líquidos (alcohol / ron, mezcla con agua) Tabla 1 A temperatura ambiente: T = Líquido 1 3 4 5 Promedio Error Total α (dina/cm) ρ (g/cm 3 ) H O Alcohol Marque: Ron / Mezcla V (ml) N (#gotas) ρ (g/cm 3 ) V (ml) N (#gotas) ρ (g/cm 3 ) ± ± ± V (ml) N (#gotas) 6. Ahora repita los pasos anteriores para T = 50 C y anote sus mediciones en la Tabla. EXP. N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL 6
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición Tabla. En baño María: T = 50 0 C Alcohol Líquido ρ V N (g/ccm 3 ) (ml) (#gotas) 1 3 4 5 Promedio Error Total α (dina/cm) ± Equipo automatizado Para incrementar el área de la superficie en un líquido en un ΔA, se debe realizar un trabajo ΔE. ε = ΔE/ΔA (6) Donde, ε es la energía superficial específica y es idéntica con la tensión superficial: α = F/l (7) La fuerza F actúa tangencialmente en el borde de la longitud l del aro a fin de mantener la película líquida. Cuando usamos un aro de medición de radio r, la longitud del borde es l = πr. Figura 3 MONTAJE Método del anillo Familiarícese con el equipo sensor de la unidad básica (Cobra 3) y monte el diseño experimental de la figura 3 1. Vierta líquido en la cubeta Petric hasta la mitad.. Suspenda el aro del gancho del sensor Newton. No sumerja aún el anillo en el líquido. 3. Utilizando la plataforma de elevación vertical, girando la manija negra, sumerja lentamente el aro hasta que esté completamente cubierto por el líquido de estudio. 4. Con ayuda del profesor calibre el sensor (Figura 5 y 6). 5. Evite cualquier movimiento en la mesa de trabajo, ya que el sistema es altamente sensible. 6. Inicie la medición en software menú. Figura 4 EXP. N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL 7
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición 7. Con la ayuda de la plataforma de elevación vertical, descienda cuidadosamente la cubeta Petric hasta que observe que la película de interface del líquido esté tensionada hasta el límite (figura4). 8. Mantenga el aro tensionado por un tiempo de 10 s. 9. Al término de los 10s suba cuidadosamente cubeta Petric con la ayuda de la plataforma de elevación. 10. Repita los pasos (c) al (e) al menos 4 veces. 11. Detenga la medición. Figura 5 Figura 6 1. De la gráfica fuerza vs tiempo que arroja el programa (figura 7), seleccione los datos correspondientes a la zona de máxima tensión y copie los datos a una hoja de cálculo Excel y obtenga el promedio para cada grupo de datos (Fuerza tensora). F Valores promedio de la fuerza de tensión superficial 1 3 4 5 Promedio Error EXPERIMENTO N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL ALUMNO: MATRÍCULA: FECHA: V.B EXP. N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL 8
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición V. EVALUACIÓN 1. Para el equipo automatizado, determine el coeficiente de tensión superficial utilizando la ecuación 7. Con su error correspondiente. Recuerde que la longitud l del aro debe estar en metros.. Calcule el error porcentual y evalúe si éste se encuentra en el valor estimado en el error total. 3. Dé cinco ejemplos de aplicación práctica del fenómeno de tensión superficial: En los campo de: ciencia, tecnología y el hogar. 4. El diámetro exterior e interior del aro son: 0,0 mm y 19,0 mm. Halle la longitud sobre la cual la superficie tensora del líquido hace su acción. 5. Compare los resultados de ambos métodos. Cuál es su opinión al respecto? V. CONCLUSIONES. VI. RECOMENDACIONES... EXP. N 05 TENSIÓN SUPERFICIAL 9
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición VISCOSIDAD EXPERIENCIA N 06 Viscosidad es una propiedad de los fluidos de gran importancia sobre todo en procesos industriales. Cantidad física de gran influencia en mediciones de flujo de fluidos. Su valor es punto de referencia en la formulación de nuevos productos. I. OBJETIVO Determinar el coeficiente de viscosidad de distintos líquidos. II. EQUIPOS / MATERIALES 1 Soporte universal 1 Clamp 1 Pinza de agarradera 1 Viscosímetro de Ostwald 1 Termómetro analógico / digital 1 Vaso de precipitados, 1500 ml 1 Picnómetro 1 Balanza digital 1 Probeta graduada de 10 ml 1 Cronometro Líquidos: Água destilada, alcohol, ron III. FUNDAMENTO TEÓRICO El gasto Q (rapidez de volumen de flujo) de un líquido es el producto de la rapidez del fluido v por un volumen de control A, Q = υ A También se encuentra a partir de la ley de Poiseuille, Q = V / t = 4 π ( P P ) R / 8η L (1) Donde, V es el volumen del líquido de viscosidad η escurriéndose a través de un tubo capilar de longitud L y radio R sometido una diferencia de presiones ( P P1 ) en un tiempo t. Despejando el coeficiente de viscosidad η de (1) se tiene: 1 η = π 4 ( P P ) R t / 8VL () 1 EXP. N 06 VISCOSIDAD 30
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición Considerando dos líquidos de iguales volúmenes y temperatura, midiendo los tiempos t 1 y t que emplean en atravesar una sección transversal del capilar del viscosímetro y recordando que la diferencia de presiones ( P1 P1 ) es proporcional a la densidad ρ del líquido, se establece que: η 1 η ρ t ρ t 1 1 = (3) Donde: η 1 y η son las viscosidades de los líquidos desconocido y conocido respectivamente ρ 1, ρ son las densidades y t 1, t son los tiempos respectivos t 1, t son los errores absolutos de los tiempos correspondientes La dependencia entre la viscosidad y la temperatura para un líquido, está dada por la relación, Ln η = LnA + E / RT Su coeficiente de viscosidad η es, Donde, η = E Ae / RT E: es la energía de activación para el flujo A: es una constante R: es la constante universal de los gases T: es la temperatura (en escala absoluta) IV. EXPERIMENTO MONTAJE Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental la Figura. PROCEDIMIENTO 1. Determine las densidades del agua, alcohol y Ron con el picnómetro. ρ agua =. ρ alcohol =. ρ ron =.. Vierta agua destilada en el viscosímetro hasta que llene el bulbo C (Figura ). 3. Insufle aire por la rama ancha hasta que el Figura líquido ascienda por el capilar llenando el bulbo hasta el punto A. Cubra la rama ancha con un dedo; evitará así que el líquido descienda por gravedad. 4. Destape la rama ancha a fin de que el agua corra, y con el cronómetro tome el tiempo que tarda el líquido en pasar del punto A al punto B, realice este paso 5 veces y anote los valores en la Tabla 1. EXP. N 06 VISCOSIDAD 31
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición 5. Repita los pasos anteriores para el alcohol y para el ron/mezcla, asegúrese que el viscosímetro se encuentre limpio antes de verter el líquido. 6. Seguidamente realice este mismo procedimiento para cada líquido a la temperatura de 50 C, para ello caliente agua en un vaso de precipitado de 1litro hasta que tenga la temperatura de 50 C, sumerja el viscosímetro con el líquido a trabajar en su interior y mida el tiempo que demora en pasar el líquido desde el punto A al punto B y regístrelo en la tabla 1. 1 3 4 5 t t TABLA 1 Agua Alcohol Ron/Mezcla T Amb = C T = 50 C T Amb = C T = 50 C T Amb = C T = 50 C t agua1 (s) T agua (s) T alcohol1 (s) T alcohol (s) T ron1 (s) T ron (s) T = Temperatura (ºC), t = tiempo (s), t = error total en la medida de t. 7. Caliente el agua en baño María a la temperatura de 50 C (utilice el vaso de precipitados grande casi lleno con agua), y repita los pasos anteriores. Anote los valores en la Tabla 1. EXP. N 06 VISCOSIDAD FECHA: ALUMNO: MATRÍCULA: V.B EXP. N 06 VISCOSIDAD 3
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición V. EVALUACIÓN 1. Reemplace los valores en la ecuación (3), tomando como dato la viscosidad teórica del agua para la temperatura correspondiente, T amb y 50 C respectivamente, escriba sus resultados en la siguiente tabla. η agua (T amb ) η alcohol (T amb ) η ron/mezcla (T amb ) η agua (T =50 C) η alcohol (T =50 C) η ron/mezcla (T =50 C). Calcule los errores porcentuales para cada caso. Si el resultado sale mayor al 10%, justifique. 3. Investigue acerca de los tipos de lubricantes utilizados en autos y la relación de los lubricantes con la temperatura. 4. Determine el coeficiente de viscosidad para una mezcla que contenga 50% de agua destilada + 50% de ron. VI. CONCLUSIONES... VII. RECOMENDACIONES.. EXP. N 06 VISCOSIDAD 33
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS EXPERIENCIA N 07 I. OBJETIVO Determinar los coeficientes de expansión lineal de diferentes varillas metálicas usando un dilatómetro. Observar el comportamiento de los fluidos al cambio de temperatura. Calcular el coeficiente de dilatación térmica del agua. II. MATERIALES / EQUIPOS 1 Termostato de inmersión 1 Dilatómetro con reloj calibrador 1 Termómetro (-10 a +100 C) 1 Cubeta de acrílico Tornillos de ajuste 4 Abrazaderas Mangueras flexibles 1 Balanza de tres barras Varillas de cobre, aluminio, bronce. 1 Vaso de precipitado de 1L 1 Soporte universal 1 Nuez 1 Trípode 1 Rejilla 1 Picnómetro de 100 ml 1 Tubo de vidrio escalado (300 mm) 1 Pizeta 1 Jeringa III. FUNDAMENTO TEÓRICO Todos los cuerpos se dilatan en mayor o menor medida cuando experimentan un cambio de su temperatura (cambian sus dimensiones geométricas). La expansión lineal de diferentes materiales, se determina como una función de la temperatura. Un incremento en la temperatura causa que la amplitud vibracional de los átomos en la red cristalina de los sólidos incremente. El espaciamiento entre átomos incrementa, así como el volumen total V, para una presión constante. Donde β es el coeficiente de expansión volumétrica. β = (1/V 0 )( V/ T) P (1) Si consideramos solamente una dimensión. Obtenemos el coeficiente de expansión lineal, α comúnmente usado para medir la dilatación lineal de los sólidos. α = (1/L 0 )( L/ T) P () EXP. N 06 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 34
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 DILATACIÓN DE SÓLIDOS Monte el equipo, como se muestra en la figura 1. Figura 1 Nota: Tenga cuidado al insertar y retirar el dilatómetro. No enrosque demasiado los tornillos de ajuste. 1. Verifique que las conexiones de las mangueras flexibles al termostato sean las correctas, para el adecuado flujo de entrada y salida de agua.. Llene la cubeta de acrílico con 4 L de agua potable. 3. Verifique que la lectura del dilatómetro empiece en cero. 4. Conecte el termostato a la fuente de alimentación de 0 V. 5. Mida la temperatura inicial de trabajo, T 0 y regístrela. 6. Registre en la tabla 1, las lecturas obtenidas en el dilatómetro a intervalos de 5 C. 7. Apague el termostato y repita los pasos () al (6) para cada varilla. Tabla 1 T ( C) 5 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Cobre Aluminio Bronce 8. Complete la tabla. Tabla Cobre Aluminio Bronce L(mm) T( C) L(mm) T( C) L(mm) T( C) EXP. N 06 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 36
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición MONTAJE DILATACIÓN DEL AGUA 1. Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la Figura.. Coloque el termómetro en el vaso de precipitado de 1 L. 3. Determinar la masa del picnómetro y su escala, con ayuda de la balanza, pesándolo cuando está vacío.... g 4. Llene el picnómetro hasta el borde con agua y calibre la escala del tubo de vidrio a cero con ayuda de la jeringa. 5. Con la ayuda de la balanza determine la nueva masa. g 6. Con la ayuda de los pasos (3), (4) y (5) Determine el volumen inicial de agua V 0 y anótelo en la tabla 3. V 0 =.. ml 7. Sujete el picnómetro con ayuda del clamp y colóquelo en el vaso de precipitados, de manera que quede sumergido el mayor volumen posible. No derramar agua. 8. Llene con agua el vaso de precipitados de 1L hasta enrasar el picnómetro, y registre la temperatura inicial T 0. 9. Caliente el agua con una llama baja. Anote en la Tabla 3 las lecturas del tubo de vidrio escalado ( L en mm) y el cambio de volumen en el tubo de vidrio. El radio interno del tubo de vidrio escalado es d = 3,8 mm. 10. Registre el cambio de temperatura T con respecto a T 0. Tabla 3 Figura V 0 (ml) = T 0 ( 0 C) = d(mm) = T ( 0 C) T ( 0 C) L (mm) V (ml) 5 30 35 40 45 50 55 60 65 70 EXP. N 06 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 36
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición V. EVALUACIÓN 1. Realice los gráficos de los diferentes materiales de la Tabla 1: L versus T. (Pegue aquí sus gráficas). Las gráficas son rectas?........ 3. Analice las gráficas, y aplicando el método de mínimos cuadrados, determine los coeficientes de dilatación lineal. (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados).......... 4. Determine el valor del coeficiente de dilatación para cada una de las varillas, usando la ecuación () y anótelos en la siguiente tabla. Material α (1/ C) Cobre Aluminio Bronce 5. Compare los valores de α para cada varilla, obtenidos en los puntos (3) y (4) de la evaluación, Qué puede decir al respecto?.......... 6. Hallar el error experimental porcentual (E % ) del α para cada varilla........... 7. Grafique en papel milimetrado la variación del agua ( L) Vs. variación de la Temperatura ( T). (Pegue aquí sus gráficas) 8. Grafique en papel milimetrado la variación del agua ( V) Vs. variación de la Temperatura ( T). (Pegue aquí sus gráficas) 9. Aplicando el método de mínimos cuadrados, halle la tendencia de la gráfica. Determine los coeficientes de dilatación lineal y volumétrica del agua (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados) EXP. N 06 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 37
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9ª Edición 10. Calcule el coeficiente de dilatación volumétrica del agua a la temperatura inicial T 0 con los valores correspondientes a 30ºC: β =. 11. Calcule el coeficiente de dilatación volumétrica del agua a 50 C. Utilice los valores medidos con 50 C y 60 C. (Atención: Cuál es ahora V 0?): β =. 1. Justificar si es posible usar el tubo de vidrio con escala en mm, como una medida directa del volumen dilatado en ml..................... 13. Identifique y explique a qué se deben los errores cometidos en este experimento..................... EXP. N 07 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS ALUMNO: MATRÍCULA: FECHA: V.B V. CONCLUSIONES.............................. VII. RECOMENDACIONES.............................. EXP. N 06 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 38
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN EXPERIENCIA N 8 Circulación Atmosférica: Estudia el movimiento del aire a gran escala, y el medio por el cual la energía térmica se distribuye sobre la superficie de la Tierra. I. OBJETIVO Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una sustancia líquida. Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbido/disipado para diferentes proporciones del líquido. Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos II. EQUIPOS / MATERIALES Calor absorbido - Disipado 1 Mechero bunsen 1 Soporte universal 1 Clamp 1 Termómetro 1 Agitador 1 Vaso de precipitado graduado de 500 cc. 1 Vaso de precipitado de 00 cc. Papel milimetrado Papel toalla Convección 1 Mechero bunsen 1 Soporte Universal 1 Clamp 1 Termómetro 1 Pinza universal 1 Vaso de precipitado de 00 cc. 1 Cuchara de mango (espátula) Permanganato de potasio Espiral de papel preparado III. FUNDAMENTO TEÓRICO Caso 1: CALOR ABSORBIDO Y DISIPADO La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura. Esto es: Q Q α m ( T T 0 ) = mc T T ) (1) ( 0 donde: EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 39
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION c: calor específico T 0 : 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, dq H = = cte () dt De (1) y () se tiene: dq dt dt = mc = H, dt luego dt = H mc dt Integrando e iterando se tiene: dt = H T t + mc T 0 T T H mc 0 0 = (3) La ecuación (3) relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde H representa la pendiente y T mc 0 la temperatura inicial. Si el cuerpo se encuentra en un 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 dq, y disminuye a costa del trabajo realizado por el cuerpo dw (principio de conservación de la energía en los procesos térmicos). Se le conoce como la primera ley de la termodinámica, y se expresa como: t dt du = dq PdV (4) EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 40
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION Caso : CONVECCIÓN La propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en sólidos), convección (en fluidos) y radiación, a través de cualquier medio transparente a ella. Si hay diferencia de temperatura entre dos puntos, el calor siempre se propaga de la zona más caliente a la menos caliente. CONVECCIÓN: Es la manera más eficiente de propagación del calor, se da en los fluidos. Un fluido cálido, por diferencia de densidades, asciende hacia regiones menos calientes; por compensación un fluido frío desciende a tomar su lugar; si continúa así este movimiento, da lugar a la formación de células convectivas. Ejemplo, cuando el agua hierve se forman burbujas (regiones calientes) que ascienden hacia regiones menos calientes, las células convectivas en la atmósfera que dan lugar a las precipitaciones pluviales. IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1. CALOR ABSORBIDO/DISIPADO 1. Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. Coloque en el vaso pírex agua a temperatura del ambiente, casi hasta la parte superior. 3. Anote el valor de la temperatura y el volumen del agua. T 0 = V = 4. Encienda el mechero. Busque un flujo aproximadamente constante. La llama no debe ser muy fuerte ni estar muy cerca al vaso. 5. Mida la distancia entre la llama y el vaso. Mantenga fija esta distancia durante toda la práctica a fin de que no cambien las condiciones de experimentación. Distancia:.. Figura 1. Calor Absorbido / Disipado 6. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada 30 s hasta llegar al punto de ebullición. Anote los datos en la Tabla N 1. EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 41
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION TABLA 1 (m =... g) t (min) 0.5 1.0 1.5.0.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 T (ºC) t (min) 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 1.0 T (ºC) t (min) 1.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 T (ºC) 7. Repita los pasos (1) al (5) bajo las mismas condiciones anteriores; ahora use la mitad de la cantidad de agua anterior. Anote los datos en la Tabla N. t (min) T (ºC) t (min) T (ºC) (... ) 0.5 1.0 1.5.0.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 1.0 8. Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos anteriores. (Use papel milimetrado) (Pegue aquí) EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 4
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION 9. Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 75 0 C. De los gráficos Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa? Qué relación hay entre la pendiente del gráfico T = T(t) y la cantidad de calor?.. 10. Vierta esta agua caliente en la probeta graduada hasta 00 ml. Luego viértalo en el vaso de espuma de poliuretano. Coloque un termómetro en el vaso de espuma y tome la temperatura del agua cada 10 s durante 3 minutos. Anote los datos en la tabla 3. 11. Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introdúzcalo en el agua. 1. Continúe tomando la temperatura cada 10 s, agitando suavemente, hasta 3 minutos después que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4. EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 43
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION En qué instante exacto el cubo de hielo termina de fundirse?. Determine el volumen final del agua. V agua ( final) =. Qué masa tenía el agua originalmente? m agua ( original) =. Qué masa tenía el hielo originalmente? m hielo ( original) =. Explique cómo determinó estas masas?. 13. Haga una gráfica de T versus t. (Pegue aquí) Cómo afectó el cubo de hielo añadido al agua la rapidez de enfriamiento?.. Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía. Q = mc T c agua = 1, 00 cal g º C Q perdida ( inicial ) =. cal MONTAJE. CONVECCIÓN (EN AGUA) 1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 00 ml de agua.. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de Permanganato potásico. 3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados. 4. Mientras se calienta, observe atentamente el agua coloreada. Anote sus impresiones... 5. Dibuje, esquemáticamente, en la figura, con líneas punteadas como el agua sube y baja. Explique lo que observa mientras se calienta el agua. EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 44
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION......... 5cm Figura. Se caliente el agua MONTAJE 3. CONVECCIÓN (EN AIRE) 1. Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente.. Haga un nudo en el sedal y páselo por un orificio previamente hecho en el centro de la espiral. (Figura 3). 3. Encienda el mechero con una llama baja. 4. Cuelgue la espiral entre 15 y 0 cm por encima del mechero. 5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones... Si la espiral estuviera confeccionada del otro sentido, el giro sería el mismo? Por qué?... EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 45
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION 6. Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno. a... b. c.. Nota importante Las espirales de papel pueden arder! Colóquela al menos 15 cm por encima del mechero Figura 3: Se calienta el aire EXP N 8 CALOR ABSORBIDO / DISIPADO Y CONVECCIÓN FECHA: ALUMNO: MATRÍCULA: VºBº del Profesor V. EVALUACIÓN 1. Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa, Cómo sería el gráfico? Trácelo y descríbalo. (Pegue aquí).. EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 46
MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II 9 EDICION. Cuál es la razón de que en este experimento la temperatura no llegue a 100 C? 3. Para el caso de agua, aproximadamente a partir de 75 C, la gráfica de temperatura versus tiempo deja de tener comportamiento lineal. Por qué? 4. Indique el tiempo que demoró en recorrer el intervalo 80 C y 85 C. Revise el caso registrado entre 50 C y 55 C... 5. Qué significado tienen los datos del paso (7)?. 6. Compare los tamaños de los intervalos de temperatura para las masas m y m/. 7. Investigue y explique concisamente sobre la circulación océano-atmósfera.. 8. Qué sucede en nuestro medio durante el fenómeno del Niño?... 9. Qué son los vientos alisios? Qué fenómenos los producen? 10. Se sabe que el Sol está constituido por diversos gases, investigue usted cómo ocurre el transporte de energía a través de él. EXP. N 8 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN 47