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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILCURSO:Física IITEMA:INFORME DE CALORINTEGRANTES:ATENCIO RAYMUNDO, Kenny Anderson. CHURANO SHUAN, Caleb Edilson. CRISPIN SOTO, Daniel Alexander.CICLO:IIIDOCENTE:PAREDES GONZALES, Pedro Enrique.Nuevo Chimbote – ...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO: Física II TEMA: INFORME DE CALOR

INTEGRANTES: ATENCIO RAYMUNDO, Kenny Anderson. CHURANO SHUAN, Caleb Edilson. CRISPIN SOTO, Daniel Alexander. CICLO: III DOCENTE: PAREDES GONZALES, Pedro Enrique.

Nuevo Chimbote – Perú 2020

I.

OBJETIVOS: − Utilizando el simulador de la sección INTRO, visualizar y explicar la transferencia de calor por radiación en las situaciones dadas. − Utilizando el simulador de la sección INTRO, visualizar dos situaciones donde ocurran los tres mecanismos de transferencia de calor y explicar. − Utilizando el simulador de la sección INTRO, visualizar tres casos de equilibrio térmico entre el hierro y agua. − Utilizando el simulador de la sección INTRO, visualizar y explicar lo que sucede para la situación simultánea entre hierro en agua y ladrillo en aceite cuando están sometidos a un calentamiento máximo.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO CALOR Es un tipo de energía que se produce por la vibración de moléculas y que provoca la subida de la temperatura, la dilatación de cuerpos, la fundición de sólidos y la evaporación de líquido. De una forma genérica, es una temperatura elevada en el ambiente o en el cuerpo. DIFERENCIA ENTRE TEMPERATURA Y CALOR: La temperatura depende del estado físico de un material y es una descripción cuantitativa de su calidez o frialdad. Mientras que el calor siempre se refiere a transferencia de energía de un cuerpo o sistema a otro, a causa de una diferencia de temperatura, nunca a la cantidad de energía contenida en un sistema dado. CANTIDAD DE CALOR Se define como la energía cedida o absorbida por un cuerpo de masa cuando su temperatura varía en un número determinado de grados. Está relacionada directamente con la naturaleza de la sustancia que compone el cuerpo. La dependencia de la cantidad de calor con la naturaleza de la sustancia se caracteriza por una magnitud denominada Calor específico de la sustancia. La ecuación fundamental de la termología establece la relación entre el incremento de temperatura experimentado por una determinada cantidad de sustancia y el calor que intercambia. Esta fórmula nos permite determinar la cantidad de calor (Q) cedida o

absorbida por un cuerpo de masa y calor específico, cuando su temperatura inicial varía hasta la temperatura final se puede calcular mediante: 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇 Donde: Q: Calor intercambiado. Cantidad de energía térmica intercambiada con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio (J), aunque también se usa con frecuencia la caloría (cal). 1 cal = 4.184 J m: Masa. Cantidad de sustancia considerada. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo (kg) c: Calor específico. Representa la facilidad que una sustancia tiene para variar su temperatura cuando intercambia calor con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio por kilogramo por kelvin (J/kg·K) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado (cal/g·ºC). Cuando conocemos el número de moles de sustancia en lugar de su peso (nos dan m en moles), podemos usar el calor específico molar que se suele específicar en J/mol·K ó cal/g·ºC ∆T: Variación de temperatura. Viene determinada por la diferencia entre la temperatura inicial y la final ∆T = Tf -Ti. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvín (K) aunque también se suele usar el grado centígrado o celsius ( ºC ) CALOR ESPECÍFICO Se representa con la letra c y se puede definir como la cantidad de calor requerida por la unidad de masa de una sustancia para variar su temperatura en 1° c el calor específico c se expresa en unidades de energía como: Joule (j), kilocaloría (Kcal), caloría (cal), entre otras. CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR (C) La masa total m del material es la masa por mol M multiplicada por el número de moles n: 𝑚 = 𝑛𝑀 Calor requerido para cambiar la temperatura a n moles: 𝑄 = 𝑛𝑀𝑐∆𝑇 = 𝑛𝐶∆𝑇

TABLA 1: Valores aproximados del calor específico y capacidad calorífica molar (a presión constante)

CALORIMETRÍA Y CAMBIOS DE FASE La Calorimetría es la parte de la física que trata de la medición del calor y de las constantes térmicas. Este término significa “medición de calor”. Cambios de Fase Los cambios de fase describen un específico estado de la materia, como sólido, líquido o gas. Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor, y un cambio de volumen y densidad. Transferencia de calor en un cambio de fase: 𝑄 = 𝑚𝐿 Donde: L: es el calor latente

TABLA 2: Calores de fusión y de vaporización

EQUILIBRIO TÉRMICO Es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico. 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Conducción La conducción es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo. El coeficiente de conducción de un material mide la capacidad del mismo para conducir el calor a través de la masa

del mismo. H=

T − TC dQ = kA H L dt

Donde: K, es la conductividad térmica del material A, área de la sección transversal del material L, longitud del material TH − TC L

TABLA 3: Conductividades térmicas.

es el gradiente de temperatura

Los materiales con k grande son buenos conductores del calor; aquellos con k pequeña son conductores o aislantes deficientes.

Convección: La transmisión de calor por convección es un intercambio de calor entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. El transporte del calor se produce por movimientos naturales debidos a la diferencia de temperaturas, el aire caliente tiende a subir y el aire frío baja, o bien mediante mecanismos de convección forzada. Radiación: Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente por radiación. La corriente de calor 𝐻 =

𝑑𝑄 𝑑𝑡

debida a radiación de un área superficial A con

emisividad e a la temperatura absoluta T se puede expresar como: H=

dQ = A e T 4 dt

Donde: 𝜎=5.67 ∗ 10−8 W/m. K 4 es la constante física fundamental llamada constante de Stefan-Boltzmann

PROCEDIMIENTO Ingrese al simulador proporcionado por el docente en la opción de INTRO Parte I Seleccione la opción ENERGY SYMBOLS y ponga un termómetro dentro del vaso. Seleccione un bloque e introdúzcalo dentro de un vaso, para los siguientes casos: a) Calentamiento del hierro en agua y aceite b) Calentamiento del ladrillo en agua y aceite c) Enfriamiento del hierro en agua y aceite d) Enfriamiento del ladrillo en agua y aceite Parte II Colocar los bloques de hierro y ladrillo dentro de los vasos de agua y aceite respectivamente. Observe analice y explique lo que sucede relacionándolo con los tres mecanismos de transferencia de calos. Parte III Coloque un termómetro en el bloque y el vaso que emplee Caso 1 Calentar el vaso con agua hasta una temperatura suficientemente notoria. Sacarlo del calentador e inmediatamente sumergir el bloque de hierro dentro del vaso. Observe y analice. Caso 2 Calentar el bloque de hierro hasta una temperatura suficientemente notoria. Sacarlo del calentador e inmediatamente sumergirlo dentro del vaso con agua. Observe y analice. Caso 3 Sumergir el bloque de hierro en el vaso con agua y calentarlos. Observe y analice.

RESULTADOS: Parte 1. a) Calentamiento del hierro en agua y aceite.

Hierro y agua: La transferencia de calor ocurre gracias al fuego, dicha radiación calienta el envase que contiene agua, este a la vez aumenta su temperatura afectando directamente al aumento de calor para ese bloque de hierro.

Hierro y aceite: Para este caso el fuego sigue siendo el provocante del calentamiento del envase por radiación, por tal motivo el aceite contenido en el envase logra calentarse y de forma continua, el ladrillo. b) Calentamiento del ladrillo en agua y aceite.

Ladrillo y agua: El fuego transfiere calor por medio de la radiación lo que eleva la temperatura al envase y los materiales contenidos en este, el agua y el ladrillo. Ladrillo y aceite: El calor transferido al envase para finalmente calentar el aceite y el ladrillo contenidos en este, es por la radiación que sigue siendo provocado por el fuego. c) Enfriamiento del hierro en agua y aceite.

Hierro con agua: En este caso el calor es transferido al cuerpo frío, por lo tanto la radiación está provocando un congelamiento, es decir, el bloque de hierro y el agua están perdiendo calor debido a una radiación gélida.

Hierro y aceite: De igual manera la radiación gélida enfría los cuerpos, provocando que el bloque de hierro y el aceite se transfieran calor para que finalmente sea recibido por el cuerpo frío.

d) Enfriamiento del ladrillo en agua y aceite.

Ladrillo y agua: Tanto el ladrillo y el agua pierden calor para que el cuerpo frío que emite una radiación gélida sea calentado.

Ladrillo y aceite: El cuerpo que emite la radiación gélida logra ganar calor de los materiales contenidos en el envase, y por supuesto que estos, el aceite y el ladrillo, pierden calor.

Parte 2.

Dos casos donde se observan los tres mecanismos de transferencia de calor: El fuego emite una radiación que provoca un aumento de temperatura hacia los cuerpos cercanos, dentro del envase se empieza a calentar el líquido provocando la convección, y finalmente mediante el líquido y el bloque de cierto material ocurre la conducción. Parte 3. 1er caso: Calentar el envase, luego meter el bloque de hierro al agua hirviendo y notar el equilibrio térmico.

2do caso: Calentar el bloque de hierro, posteriormente introducirlo al envase con agua a temperatura ambiente:

3er caso: Calentar el envase con el bloque de hierro ya adentro:

Parte 4.

Situación simultánea entre hierro en agua y ladrillo en aceite cuando están sometidos a un calentamiento máximo: Lo destacable es la diferencia de la temperatura de ebullición de los líquidos y la presencia de los tres mecanismos de transferencia de calor.

CUESTIONARIO 1. ¿Cuáles son los tres mecanismos de transferencia de calor? Los mecanismos de transferencia de calor son: Conducción: Es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo. Convección: Es un intercambio de calor entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. Radiación: Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. 2. Utilizando el simulador de la sección SYSTEMS (seleccione Energy simbols), visualice y explique todos los posibles cambios de energía que permita el simulador.

Ejemplo 01:

Al abrir el caño de agua, la rueda hidráulica comienza a moverse produciendo energía mecánica, al pasar esa energía por el cable, el recipiente con agua se calienta produciendo energía térmica. Ejemplo 02:

Al abrir el caño de agua, la rueda hidráulica comienza a moverse produciendo energía mecánica, al pasar esa energía por el cable, la bombilla LED comienza a calentarse produciendo en su interior energía eléctrica menor a la bombilla normal, y finalmente produce al exterior energía lumínica Ejemplo 03:

Al abrir el caño de agua, la rueda hidráulica comienza a moverse produciendo energía mecánica, al pasar esa energía por el cable, la bombilla comienza a calentarse produciendo en su interior energía eléctrica, y finalmente produce al exterior energía lumínica. Ejemplo 04:

Al abrir el caño de agua, la rueda hidráulica comienza a moverse produciendo energía mecánica, al pasar esa energía por el cable el ventilador produce energía mecánica.

Ejemplo 05:

La luz solar produce energía lumínica, al a ser contacto con el panel solar cambia su energía a eléctrica, al pasar esa energía por el cable el ventilador produce energía mecánica.

Ejemplo 06:

Ejemplo 07: La luz solar produce energía lumínica, al a ser contacto con el panel solar cambia su energía a eléctrica, al pasar esa energía por el cable, el recipiente con agua se calienta produciendo energía térmica.

La luz solar produce energía lumínica, al a ser contacto con el panel solar cambia su energía a eléctrica, al pasar esa energía por el cable, la bombilla comienza a calentarse produciendo en su interior energía eléctrica, y finalmente produce al exterior energía lumínica. Ejemplo 08:

La luz solar es energía lumínica, al a ser contacto con el panel solar cambia su energía a eléctrica, al pasar esa energía por el cable, la bombilla LED comienza a calentarse

produciendo en su interior energía eléctrica menor a la bombilla normal, y finalmente produce al exterior energía lumínica Ejemplo 09

Al prender la llama se genera radiación en forma de energía térmica esta calienta a la tetera y esta genera energía térmica la cual se transformará en energía mecánica cuando entre en contacto con la rueda hidráulica la cual comenzara a girar,y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar a la resistencia haciendo que el vaso se caliente junto al agua dentro generándose energía térmica Ejemplo 10

Al prender la llama se genera radiación en forma de energía térmica esta calienta a la tetera y esta genera energía térmica la cual se transformará en energía mecánica cuando entre en contacto con la rueda hidráulica la cual comenzara a girar,y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar al foco el cual se encenderá generando energía luminosa y térmica ya que estos objetos tiende a perder energía en forma de calor.

Ejemplo 11

Al prender la llama se genera radiación en forma de energía térmica esta calienta a la tetera y esta genera energía térmica la cual se transformará en energía mecánica cuando entre en contacto con la rueda hidráulica la cual comenzara a girar,y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar al foco ahorrador el cual se encenderá generando energía luminosa y térmica ya que estos objetos tiende a perder energía en forma de calor pero en menos proporción a los focos normales. Ejemplo 12

Al prender la llama se genera radiación en forma de energía térmica esta calienta a la tetera y esta genera energía térmica la cual se transformará en energía mecánica cuando entre en contacto con la rueda hidráulica la cual comenzara a girar y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar a la turbina que se acciona generando energía mecánica dentro de las partículas que la rodean.

Ejemplo 13

Dentro del niño hay energía química producto de la digestión de alimentos, al momento de pedalear el niño genera energía mecánica en la cadena de la bicicleta y a su vez el niño pierde energía en forma de calor, el movimiento mecánico se transfiere a la rueda hidráulica la cual comenzara a girar y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar a la resistencia haciendo que el vaso se caliente junto al agua dentro generándose energía térmica Ejemplo 14

Dentro del niño hay energía química producto de la digestión de alimentos, al momento de pedalear el niño genera energía mecánica en la cadena de la bicicleta y a su vez el niño pierde energía en forma de calor, el movimiento mecánico se transfiere a la rueda hidráulica la cual comenzara a girar y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar al foco el cual se encenderá generando energía luminosa y térmica ya que estos objetos tiende a perder energía en forma de calor.

Ejemplo 15

Dentro del niño hay energía química producto de la digestión de alimentos, al momento de pedalear el niño genera energía mecánica en la cadena de la bicicleta y a su vez el niño pierde energía en forma de calor, el movimiento mecánico se transfiere a la rueda hidráulica la cual comenzara a girar y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar al foco ahorrador el cual se encenderá generando energía luminosa y térmica ya que estos objetos tiende a perder energía en forma de calor pero en menos proporción que la de un foco convencional. Ejemplo 16

Dentro del niño hay energía química producto de la digestión de alimentos, al momento de pedalear el niño genera energía mecánica en la cadena de la bicicleta y a su vez el niño pierde energía en forma de calor, el movimiento mecánico se transfiere a la rueda hidráulica la cual comenzara a girar y mediante sistemas electromagnéticos los electrones dentro del cable entran en movimiento y se genera la energía eléctrica hasta llegar a la turbina la cual genera energía mecánica con sus hélices a las partículas cerca de ella

3. Utilizando el simulador de la sección INTRO (seleccione Energy simbols y coloque un termómetro en el vaso con agua), haga la calibración del termómetro y cuál es la mínima división de este instrumento. Represente mediante un dibujo el termómetro calibrado.

Primero se enfría lo más posible el agua Y se tomara a esta temperatura como 0°C

Luego se calentara hasta que comience a hervir esto se considerará 100 °C. Ahora se contra la cantidad de divisiones y se dividirá entre la diferencia de temperatura. La mínima división en de 25 °C aproximadamente. °C 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0...