PRACTICA DE LABORATORIO DE FISICA: ENFRIAMIENTO Y CALENTAMIENTO JORGE FERNÁNDEZ MALDONADO MARCH 27, 2019 COLEGIO CEU MONTEPRINCIPE IB FISICA Índice Índice ............................................................................................................................................. 2 Introducción: ................................................................................................................................. 3 Experimento: ................................................................................................................................. 3 Materiales: .................................................................................................................................... 3 Nuestro experimento: ................................................................................................................... 5 Tablas y gráficas: ........................................................................................................................... 5 1. Calentamiento: .................................................................................................................. 5 2. Enfriamiento:..................................................................................................................... 7 Interpretación de la gráfica de enfriamiento: ............................................................................... 9 Ley de enfriamiento de Newton: .................................................................................................. 9 Introducción: En relación con el tema estudiado actualmente, ondas, desde el Departamento de Física se nos planteó el proyecto de desarrollar un trabajo sobre las características del agua a partir de un experimento simple de calentamiento-enfriamiento del agua. Este tenía que ser individual, y la persona tenía que sacar el mayor número de conclusiones acertadas a partir de una gráficas y tablas que todos sacamos del experimento. Sin embargo, no todo fue como hubiésemos querido: el experimento tardaba mucho en calentarse, no podíamos calcular el calor medio externo otorgado por la estufa, hubo varios errores, no se calentó el experimento suficiente para que hubiese un cambio de estado (lo cual hubiera sido interesante...) etc… Aun con todo esto, en este trabajo se ha intentado hacer un análisis personal de los resultados acatados por las gráficas de la manera más correcta Experimento: Nuestro experimento es uno de los más elementales. Primero cogimos agua del grifo (en nuestro caso 200ml), la pusimos en un vaso de precipitados, con un termómetro medimos las temperaturas y con una estufa la calentamos. Con un contador fuimos viendo las variaciones de temperatura cada 30 segundos Materiales: Agua: 200 ml Densidad: 997,04 kg/m³ Punto de ebullición: 99,98 °C Masa molar: 18,01528 g/mol Fórmula: H2O Punto de fusión: 0 °C Vaso de precipitados Termómetro: Estufa de gas: Cronometro: Nuestro experimento: No disponemos de fotos del experimento (error nuestro) pero si disponemos de fotos de las mediciones: Tablas y gráficas: 1. Calentamiento: Tiempo (min) Tiempo (s) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 TEMPERATURA (G) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 25 25 26 26 27 28 29 29 30 30 31 32 32 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 33 34 34 35 36 36 37 38 39 40 41 42 42 42 43 43 44 45 TEMP (G)/TIEMPO(S) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2. Enfriamiento: Tiempo (min) Tiempo (s) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 19 19,5 20 20,5 21 21,5 22 22,5 23 23,5 Calor (G) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410 45 45 45 45 45 45 45 45 44 44 44 43 43 43 43 43 42 42 42 42 42 41 41 41 41 41 41 41 41 40 40 40 40 40 40 39 39 39 39 39 39 38 38 38 38 38 38 38 24 24,5 25 25,5 26 26,5 27 27,5 28 28,5 29 29,5 30 30,5 31 31,5 32 32,5 33 1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710 1740 1770 1800 1830 1860 1890 1920 1950 1980 38 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37 36 36 36 35 35 35 35 35 TEMPERATURA/TIEMPO (S) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Interpretación de la gráfica de enfriamiento: La grafica de enfriamiento según mi opinión personal es la que ofrece más información. Al haber enfriado el vaso mediante el equilibrio térmico de la temperatura ambiental (26,2 grados), se ve que se enfría más rápido cuando mayor es la temperatura del agua. Esto se ve demostrado en la siguiente gráfica. TEMPERATURA/TIEMPO (S) 50 45 40 35 30 25 y = 45,302e-1E-04x 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Esta grafica sigue claramente una tendencia exponencial, donde en temperaturas superiores se enfría más rápido y en temperaturas menores se enfría menos rápido. Esta grafica tendería hacia el valor 26,2 grados, pues este valor seria el equilibrio térmico perfecto entre el vaso y la temperatura ambiente. Ley de enfriamiento de Newton: "La tasa de enfriamiento de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores" Gracias a esto sabemos que la temperatura de un cuerpo decae exponencialmente conforme el tiempo avanza: Dicha ley se escribe como: dto. /de = k (T- Tamba) Donde la derivada de la temperatura respecto al tiempo (dT/dt) representa la rapidez del enfriamiento, T es la temperatura instantánea del cuerpo cuando está caliente, k una constante que define el ritmo de enfriamiento y Tamb es la temperatura ambiente, que es la temperatura que alcanza el cuerpo luego de determinado tiempo. De esta ecuación sale la siguiente un poco más simplificada, para intervalos de poca diferenciación entre la temperatura del objeto y el medio: Con esta fórmula y sabiendo el gradiente de nuestra grafica de enfriamiento, podemos calcular todas las temperaturas o tiempos que queremos y que no nos muestre la gráfica. TEMPERATURA/TIEMPO (S) 50 45 40 35 30 25 y = 45,302e-1E-04x 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 El primer paso para poder utilizar esta fórmula con nuestra grafica correspondiente será calcular r. Para ello utilizamos datos de la gráfica que ya sabemos como por ejemplo que en 2000 segundos la temperatura de la gráfica va a ser igual a 35 grados. Sabiendo esto y sabiendo que la temperatura ambiental era 26 grados sustituimos en la formula y calculamos: 35= 26+18*e-r*2000 Resolvemos: ln ½ = -r * 2000 -r = ln 0,5 / 2000 r = 3,45 * 10-4 Una vez resuelta nuestra constante r, podemos calcular todo lo que queramos Por ejemplo: Calcular la temperatura de nuestro recipiente cuando haya pasado 6000 segundos: T = 26 + 18,8 * e-3.46 *10^-4 * 6000 T= 28,35 grados Lo cual tiene sentido pues si cada vez se enfría más lento esta puede ser una cifra muy coherente Conclusión: Mediante esta práctica se ha demostrado que la ley de enfriamiento de Newton funciona a la perfección y se da aun utilizando intervalos de tiempo muy cortos y aun habiendo hecho un experimento aparentemente fácil. Además, se ha aprendido sobre la forma de enfriarse de cualquier cuerpo cuando está en un ambiente más frio y se ha aprendido sobre las gráficas exponenciales
