Informe de laboratorio virtual 05 - Ley de enfriamiento de Newton. Física de la masa y energía PDF

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UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTOTORIBIO DE MOGROVEJOESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL AMBIENTALINFORME DE LABORATORIO VIRTUAL N° 05Tarrillo Soto Jesús Alberto12 de febrero del 2022Cumpa Barrios EdwinGUÍA DE LABORATORIO N° 05Ley de enfriamiento de Newton1. ResumenEn este laboratorio desarrollaremos e...

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UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL AMBIENTAL

INFORME DE LABORATORIO VIRTUAL N° 05 Tarrillo Soto Jesús Alberto 12 de febrero del 2022 Cumpa Barrios Edwin

LABORATORIO N° 05: Ley de Enfriamiento de Newton

GUÍA DE LABORATORIO N° 05 Ley de enfriamiento de Newton

1. Resumen

En este laboratorio desarrollaremos el tema de la ley de enfriamiento de Newton para eso se realizó un experimento con ayuda de un simulador virtual donde poníamos a calentar un líquido x para luego enfriarlo utilizando dicha ley, luego estos datos se fueron recopilando y con esto se graficará la curva de enfriamiento. 1.1. Objeto general 1.1.1. En esta práctica se busca conocer la constante de tiempo de un termómetro según la ley de enfriamiento de Newton. 1.2. Objetivos específicos 1.2.1. Estudiar y comprender la relación entre la temperatura de un cuerpo caliente y su tiempo de enfriamiento trazando una curva de enfriamiento. 1.2.2. verificar la Ley de Enfriamiento de Newton. 1.2.3. Analizar los resultados que se obtienen de la ley de enfriamiento para una mejor comprensión del tema. 1.2.4. Conocer las ecuaciones matemáticas que rigen esta ley.

2. Marco teórico Ley de enfriamiento de Newton La velocidad de enfriamiento de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas del cuerpo (T) y el entorno (T0) siempre que la diferencia de temperatura no supere los 30 0 C. es decir:

Para un cuerpo de masa m, calor específico “s”, y temperatura T mantenida alrededor de la temperatura T0;

Ahora, la velocidad de enfriamiento,

Por lo tanto,

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Dado que la masa y el calor específico del cuerpo se toman como constantes, la tasa de cambio de temperatura con el tiempo se puede escribir como,

La ecuación anterior explica que, a medida que aumenta el tiempo, la diferencia en las temperaturas del cuerpo y los alrededores disminuye y, por lo tanto, la tasa de caída de temperatura también disminuye. Una gráfica T vs t de esta situación, es denominada curva de enfriamiento.

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3. Materiales       

Calorímetro metálico Agitador Caja de madera con abrazadera y soporte. Una tapa de madera con un agujero en el medio. Termómetro Cronometro Agua caliente de aproximadamente 80 ° C

4. Procedimiento y toma de datos 4.1. Ingrese al simulador: “ley de enfriamiento de Newton” https://amrita.olabs.edu.in/?sub=1&brch=5&sim=21&c nt=4 4.1.1.

4.1.2.

Se observará la siguiente ventana

Explore la interfaz. Pruebe los

diferentes controles C.  Seleccione cobre como material del calorímetro de la lista desplegable.  Seleccione con el control deslizable, un radio de 2,5 para del calorímetro  

Seleccione una masa de 60 g para el calorímetro Seleccione agua como muestra líquida

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

fije en 70 °C la temperatura del agua dentro del calorímetro



fije en 30 °C la temperatura ambiente

 

selecciones mostrar sección transversal Haga clic en el botón "comienzo" del cronometro para iniciar.

Obsv. Para rehacer el experimento, haga clic en el botón "Reiniciar". D. Conforme transcurre el experimento, observe y anote la temperatura del

agua (marcado en el termómetro), para los instantes de tiempo mostrados en la Tabla N°1. Complete esta tabla

Número

Tiempo (min)

Temperatura T (°C)

Temperatura ambiente T0 (°C)

T-T0 (°C)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

70 °C 55.73 °C 46.55 °C 40.65 °C 36.85 °C 34.41 °C 32.83 °C 31.82 °C 31.17 °C 30.76 °C 30.49 °C 30.31 °C 30.2 °C 30.13 °C 30.08 °C 30.06 °C

30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C

40 °C 25.73 °C 16.55 °C 10.65 °C 6.85 °C 4.41 °C 2.83 °C 1.82 °C 1.17 °C 0.76 °C 0.49 °C 0.31 °C 0.2 °C 0.13 °C 0.08 °C 0.06 °C

Tabla N° 1: datos de variación de la temperatura del agua respecto al tiempo para una temperatura ambiente de 30 °C

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COBRE (Cu) - AGUA

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E. Repita el procedimiento D. para otro líquido, manteniendo los valores de

la parte C. complete la tabla N°2

Número

Tiempo (min)

Temperatura T (°C)

Temperatura ambiente T0 (°C)

T-T0 (°C)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

70 °C 55 °C 45.63 °C 39.78 °C 36.11 °C 33.82 °C 32.39°C 31.49 °C 30.93 °C 30.58 °C 30.37 °C 30.23 °C 30.14 °C 30.09 °C 30.06 °C 30.04 °C

30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C 30 °C

40 °C 25 °C 15.63 °C 9.78 °C 6.11 °C 3.82 °C 2.39 °C 1.49 °C 0.93 °C 0.58 °C 0.37 °C 0.23 °C 0.14 °C 0.09 °C 0.06 °C 0.04 °C

Tabla N° 2: datos de variación de la temperatura del líquido .....respecto al tiempo para una temperatura ambiente de 30 °C

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COBRE (Cu) - LECHE

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5. Cuestionario 5.1. Usando la tabla N° 1, grafique la curva de enfriamiento T vs t. interprete la grafica

La curva de enfriamiento se construye con datos de T vs t y esta se da en estado gaseoso y que luego se va enfriando hasta llegar a sólido. En la gráfica podemos apreciar que cuando va pasando los minutos la temperatura va disminuyendo hasta que el min 90 esta empieza a ser constante. 5.2. Usando la tabla N° 1, grafique Ln(T-T0) vs t. interprete la grafica

Cuando medimos la temperatura del cuerpo durante su enfriamiento a intervalos reglares de tiempo tendremos esta representación graficas de Ln (T-To) en función de t, en la gráfica se puede apreciar que a medida que pase el tiempo su ln(T-To) disminuirá.

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5.3. Usando la tabla N° 2, grafique T vs t. interprete la gráfica.

En esta gráfica se puede apreciar que a medida que pase el tiempo su temperatura disminuirá hasta que en el min 80 esta empieza a ser constante. 5.4. Usando la tabla N° 2, grafique Ln(T-T0) vs t. interprete la gráfica.

En esta grafica de Ln (T-To) vs t se puede apreciar que a medida que pase el tiempo su ln de la temperatura empezara a disminuir y veremos que los puntos se ajustan en línea recta con una pendiente negativa.

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5.5. Calcule las ecuaciones de las gráficas de las preguntas 5.1 y 5.2 Grafica 5.1: T = 49,971e-0,004t Grafica 5.2: T = -0,0448t + 3,7166

5.6. De las gráficas anteriores responda ¿cómo depende la temperatura del líquido con respecto al tiempo mientras se enfría? Coincide esta dependencia con la ley de enfriamiento de Newton. Explique. De las ecuaciones anteriores se concluye que en un cuerpo que está enfriándose, la rapidez con que la temperatura T cambia es proporcional a la dife rencia entre la temperatura del cuerpo y la temperatura constante del medio que lo rodea, es decir que a medida que a umenta el ti empo, la diferencia de te mperatura del cuerpo y el entorno disminuye, por lo tanto, la tasa de caída de temperatura también disminuye. 5.7. Indague bibliográficamente cual es la ecuación teórica exacta de la dependencia de temperatura con respecto al tiempo. Coincide esta con la gráfica de la pregunta 5.1. La ecuación coincide: Donde:

𝑑𝑇 = −𝑘(𝑇 − 𝑇0 ) 𝑑𝑡 𝑑𝑇 = 𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑡 𝑇 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑇0 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

5.8. ¿Cómo varían los resultados anteriores cuando se emplea otro líquido? Comparando los resultados del cobre y la leche podemos afirmar que el agua transmitió mejor calor hacia el cobre en la misma cantidad de tiempo. Además, el k del agua es menor que el de la leche. 6. Conclusiones En conclusión este modelo matemático demuestra la rapidez con que la temperatura de un cuerpo cambia en relación a la temperatura ambiente y el tiempo. 7. Bibliografía 

Raymond A. Serway , John W. Jewett Jr. , “física para ciencias e ingeniería volumen I”, séptima edición, Cengage Learning Editores, S.A., México

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2008. Disponible en http://fis.ucv.cl/docs/FIS-131/textos/Serway-septimaedicion- castellano.pdf , acceso mayo del 2020. Pags. 553 – 572. 

Sears , Zemansky , “física universitaria volumen I” , decimosegunda edición, editorial Addinson – Wesley , México 2009. Disponible en https://drive.google.com/file/d/0B27KdYWDobjXYm9sZXlaRE5FZjg/vie w , accesomayo del 2020. Pags. 570 -672.

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