Lab1FII_Ley de enfriamiento de Newton

Física II Biol. En Acuicultura
Ms. José Castillo Ventura
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
PRACTICA DE LABORATORIO DE FISICA II
N° 01
Ley de Enfriamiento de Newton
Objetivos.• Registrar el proceso de enfriamiento del agua caliente utilizando un sensor de temperatura.
•
.
Probar la ley de enfriamiento de Newton utilizando los datos recolectados de temperatura del
agua.
Utilizar la ley de enfriamiento de Newton para predecir la temperatura de enfriamiento del agua
en cualquier momento.
F.teórico.- Un recipiente de agua caliente a la temperatura, T, puesto en una habitación de más baja
temperatura Troom, dará como resultado un intercambio de calor del agua caliente hacia la habitación. El
agua se enfriará a la misma temperatura del cuarto. Se observa este proceso de enfriamiento cuando se
espera que una bebida caliente se enfríe. En este experimento se examinará el enfriamiento del agua
caliente, con el fin de crear a un modelo que describa el proceso. También se predecirá el tiempo que
demora el agua caliente en enfriarse a la temperatura de la habitación.
Isaac Newton modeló el proceso de enfriamiento, asumiendo que la tasa de energía térmica que se
mueve de un cuerpo a otro es proporcional (por una constante k) a la diferencia de temperatura entre los
dos cuerpos, Tdiff. En el caso de una muestra de agua enfriándose a la temperatura del aire de una
habitación.
Tasa de enfriamiento = –kTdiff
De esta simple suposición demostró que el cambio de temperatura es exponencial al tiempo y puede
predecirse por
–kt
T = T0 e
+ Troom
donde T0 es la diferencia inicial de temperatura. Los cambios exponenciales son comunes en la ciencia.
Cuando una tasa de cambio es proporcional a la cantidad de cambio, el comportamiento es exponencial.
Para completar el experimento en un tiempo corto, usaremos una cantidad pequeña de agua caliente, a
una temperatura de 30°C por encima de la temperatur a del ambiente. Un sensor de temperatura
conectado a una computadora registrará la temperatura del agua cuando se enfría.
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Ms. José Castillo Ventura
Sensor de
temperatura
Tubo de
aluminio con
tapón
horadado
Figura 1
MATERIAL Y EQUIPOS.
01 Interfase Lab Pro.
01 Sensor de temperatura
01 PC.
01 vaso de precipitados
01 cocina eléctrica
01 Cilindro pequeño de aluminio.
01 tapón de jebe, horadado.
01 termómetro digital
PROCEDIMIENTO
1. Conecte una Sonda de Temperatura al canal 1 del Lab Pro o del interfase universal de laboratorio
(Universal Lab Interface).
2. Abrir la carpeta del Experimento 33 de Física con Computadoras. Seguidamente abrir el archivo del
experimento que coincida con el tipo de sonda de temperatura que se va a utilizar. Dos ventanas
aparecerán en la pantalla. Una es un gráfico y la otra es la tabla de datos. El eje horizontal del gráfico
es del tiempo en una escala de 0 a 20 minutos y el eje vertical es la temperatura a una escala de 0 a
60°C. La tabla de datos contendrá ambos datos de t iempo y temperatura.
3. Determine la temperatura de la habitación. Para hacer esto, mantenga el sensor lejos de las fuentes
de calor y de luz solar. Haga click en
para iniciar la recolección de datos. Cuando la lectura
de temperatura este cercanamente constante, haga click en
para detener la recolección de
datos. Registre este valor en la tabla de datos.
4. Empuje la sonda de temperatura a través del agujero de la tapa hasta que la sonda quede sumergida
totalmente en el agua. No deje que el extremo de la sonda toque el fondo del recipiente.
5. Obtener un poco de agua a 55°C. Se puede conseg uir agua esa temperatura de un caño de agua
caliente. Si es necesario, caliente agua a ésta temperatura.
6. Cuidadosamente llene la canasta cerca de tres cuartos con el agua caliente. Coloque la tapa
conteniendo el sensor dentro de la canasta y presione hasta que esté sellado.
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7. Espere cerca de 15 seg para que el sensor de temperatura mida la temperatura del agua. Haga
click en
para iniciar la recolección de datos. Los datos serán recolectados por 20 minutos.
ANÁLISIS
1. Use el Logger Pro para ajustar una función exponencial a los datos. Realice un click en la curva y
seguidamente hacer click en el botón de ajuste . y escoja la función exponencial Natural (y=A*exp(–
C*x)+B) de la lista de anotaciones. Haga click en
para mejorar el ajuste, entonces haga click
en
.
2. La Ley de enfriamiento de Newton fue dada así
–kt
T = T0 e
+ Troom
Compare las variables x, y, A, B, y C en la ecuación ajustada para los términos T, Troom, k, y t en la
expresión de la Ley de Enfriamiento de Newton. ¿Cuáles son las unidades de A, B y C?
3. Compare el valor para B de la temperatura ambiente que registró antes. ¿Durante la recolección de
datos estuvo el sensor siempre a la temperatura ambiente?
–kt
4. ¿Cuando t = 0, ¿Cuál es el valor de e ?
5. Cuando t es muy grande ¿Cuál es el valor de la diferencia de temperatura? ¿Cuál es la temperatura
del agua en éste momento?
6. ¿Qué haría para que su aparato experimental reduzca el valor de k en otra medición? ¿Qué cantidad
mide k?
7. Utilice la ecuación para calcular la temperatura después de 800 seg. Compare el valor calculado con
el valor actual.
8. Utilice la ecuación para predecir el tiempo que demora el agua en alcanzar la temperatura de 1°C po r
debajo de la temperatura ambiente.
9. Si la diferencia de temperatura inicial es cortada a la mitad, ¿Toma la mitad del tiempo para
alcanzar 1°C por encima de la temperatura ambiente?
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