Informe Lab. 10
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“A“AÑOÑO DEDE LALA CCONSOLIDACIÓNONSOLIDACIÓN EECONÓMICACONÓMICA Y Y SSOCIALOCIAL DELDEL PPERÚERÚ”
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA.
FACULTAD DE ING. ELECTRONICA Y ELECTRICA
TEMA: Conducción del calor en sólidos
Curso : Laboratorio de Física II
Profesora : Vanessa Navarrete Sotomayor
Integrantes :
NOMBRES CÓDIGO
Chávez García Raúl 09190151
Núñez Falcon Daniel 09190128
Pérez Ríos Alejandro 09190078
Villanueva Marcalaya Franco 09190179
Yali Machacuay Dante 09190175
Semestre : 2010 - I
Ciudad Universitaria, 23 de Junio del 2010
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CONDUCCIÓN DE CALOR EN LOS SÓLIDOS.
I. OBJETIVOS
• Investigar el comportamiento de la conducción del calor en los sólidos en
función de los materiales y sus dimensiones.
II. EQUIPOS Y MATERIALES.
• Equipo de calentamiento
• Varilla soporte metálica
250mm.
• Varilla de soporte metálica 600
mm.
• Varilla de Al en U, d 5mm, b
175mm.
• Varilla de Cu en U, D 5 mm, B
175mm.
• Termómetro.
• Manguera flexible,
transparente, 7x1.5
• Trocitos de porcelana, 200g.
• Soporte acanalado para tubos
de vidrio.
• Papel milimetrado.
• Soporte universal.
• Nuez doble.
• Clamp.
• Vaso de precipitado, 250ml.
• Agitador de vidrio.
• Gotero.
• Probeta graduada, 100ml.
• Cronometro.
• 5 trozos de papel térmico.
• Vasito metálico.
• Regla graduada.
• 1 paño de tela absorbente.
III. FUNDAMENTO TEÒRICO.
TRANSFERENCIA DE CALOR Y CONDUCCIÓN
Es un proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre
distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a
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distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o
conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente,
puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa
fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un
quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe
calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por
radiación.
• La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es
lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta
esté en el fuego.
• La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y
calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente
uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la
llama.
• La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética
(generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuegocalienta la habitación.
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se
calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción.
No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de
calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los
electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de
temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos
también tienden a ser buenos conductores del calor.
También podemos decir de la conducción:
• Es la forma que transmite el calor en cuerpos sólidos, se calienta un
cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumenta su
vibración y chocan con las que rodean; estas a su vez hacen lo mismocon sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por
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esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta una flama,
transcurre cierto tiempo para el calor llegue a otro extremo.
• El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos se
llaman buenos conductores del calor aquellos materiales que permiten el
paso del calor a través de ellos.
• Los malos conductores o aislantes son los que oponen mucha dificultad al
paso del calor aprovechando esta propiedad muchas vasijas para calentar
líquidos se hacen aluminio
.
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
PRIMER EXPERIMENTO: ¿Qué material conduce mejor el calor?
MONTAJE 1
• MONTE EL EQUIPO TAL COMO MUESTRA EL DISEÑO EXPERIMENTAL DE LA
FIGURA 1.
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• VERIFIQUE QUE UN TROZO DE MANGUERA FLEXIBLE DE UNOS 10 cm. ESTÉ
COLOCADO EN LA VARILLA DE SOPORTE CORTA.
• VIERTA UNOS 200 mL DE AGUA EN EL VASO DE PRECIPITADOS.
• COLOQUE LAS VARILLAS EN U TAL QUE EN UN EXTREMO SE APOYE EN LA
VARILLA CORTA (QUE TIENE EL FORRITO DE MANGUERA AISLANTE) Y ELVASO DE PRECIPITADOS.
CUIDADO:Al manejar el vaso de precipitados
caliente, cójalo por el borde superior
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PROCEDIMIENTO 1
4.1. SIN COLOCAR AÚN LAS VARILLAS EN EL VASO DE PRECIPITADOS, CALIENTE EL
AGUA HASTA QUE HIERVA.
4.2. VERIFIQUE QUE EN CADA VARILLA EN U ESTÉ PEGADO, RODEANDO LA VARILLA
CASI PRÓXIMO A UN EXTREMO, UN PAPEL TÉRMICO.
VARILLAS DE COBRE EN U CON PAPEL TÉRMICO.
VARILLA DE ALUMINIO EN U CON PAPEL TÉRMICO.
4.3. VERIFIQUE QUE UN TROZO DE PAPEL TÉRMICO ESTÉ COLOCADO TAMBIÉN EN
LA VARILLA DE VIDRIO (AGITADOR), PERO TOTALMENTE EN EL EXTREMO.
VARILLA DE VIDRIO DEL EXPERIMENTO.
4.4. CUANDO EL AGUA HIERVA RETIRE EL MECHERO.
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4.5. SIMULTÁNEAMENTE COLOQUE LAS VARILLAS METÁLICAS, UN EXTREMO EN EL
AGUA CALIENTE Y EL OTRO SOBRE LA VARILLA DE SOPORTE; TAMBIÉN
COLOQUE LA VARILLA DE VIDRIO LO MAS OBLICUA POSIBLE EN EL VASO DE
PRECIPITADOS, CON EL PAPEL EN LA PARTE SUPERIOR TAL QUE NO ENTRE EN
CONTACTO CON EL VAPOR DE AGUA.
VERIFIQUE QUE LOS TROZOS DE PAPEL EN LAS VARILLAS ESTÉN A LA MISMA
DISTANCIA (2 cm.) DEL VASO DE PRECIPITADOS.
EXPERIMENTO DE CONDUCCIÓN DEL CALOR EMPLEANDO LAS VARILLAS DE DISTINTOS
MATERIALES.
ANOTE EL COLOR DE LOS PAPELITOS TÉRMICOS:
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4.6. OBSERVE EL PAPEL TÉRMICO DE LAS VARILLAS. ANOTE SUS OBSERVACIONES
CUANDO EMPIECE A VARIAR SU ESTADO DE COLOR DESPUÉS DE UNOS TRES
MINUTOS. ¿QUÉ SUCEDE CON EL PAPEL TÉRMICO?
DETERMINE EL COLOR DE LOS PAPELITOS TÉRMICOS DESPUÉS DE TRES
MINUTOS:
4.7. DESPUÉS DE UNOS MINUTOS TOQUE, CON CUIDADO, DEL LADO DEL PAPEL
TÉRMICO LOS EXTREMOS DE LAS VARILLAS METÁLICAS Y TAMBIÉN EL
EXTREMO DE LA VARILLA DE VIDRIO. ANOTE LO QUE OBSERVA Y A SU TACTOQUE APRECIA.
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SEGUNDO EXPERIMENTO: ¿De qué depende el flujo del calor por un metal?
MONTAJE 2
• MONTE EL EQUIPO TAL COMO MUESTRA EL DISEÑO EXPERIMENTAL DE LA
GUÍA.
• VIERTA EN EL VASO DE PRECIPITADOS 200 ML DE AGUA.
• SUJETE EL VASITO METÁLICO CON LA PINZA UNIVERSAL COLOCADA EN EL
SOPORTE UNIVERSAL. AQUÍ SE COLOCARÁN LAS VARILLAS Y SE HARÁN LAS
MEDICIONES.
• COLOQUE EL TERMÓMETRO DE MANERA QUE EL VÁSTAGO QUEDE
APROXIMADAMENTE 1 cm POR ENCIMA DEL FONDO DEL VASITO METÁLICO.
PROCEDIMIENTO 2
4.8. EN LA PARTE SUPERIOR DE LA TABLA 1 ANOTE EL MATERIAL, DIÁMETRO d Y
LA LONGITUD b DE LA VARILLA A ESTUDIAR.
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4.9. CALIENTE EL AGUA; CUANDO HIERVA BAJE UN TANTO LA INTENSIDAD DE LA
LLAMA.
4.10. MIDA CON EXACTITUD 20 mL DE AGUA POTABLE Y VIÉRTALO EN EL VASITO
METÁLICO VACÍO (USE LA PROBETA Y LA PIPETA SI DISPONIERA DE ELLA).
4.11. MIDA LA TEMPERATURA DEL AGUA DEL VASITO; ANOTE EL DATO EN LA TABLA1 EN t=0.
4.12. COLOQUE UN BRAZO DE LA VARILLA METÁLICA EN AGUA HIRVIENDO Y EL
OTRO BRAZO EN EL VASITO METÁLICO CON AGUA FRÍA Y PONGA EN MARCHA
EL CRONÓMETRO.
4.13. AGITE REGULARMENTE EL AGUA DEL VASITO.
4.14. MIDA Y PROTOCOLICE CADA MINUTO LA TEMPERATURA DEL AGUA DELVASITO METÁLICO.
4.15. HAGA UNA MEDICIÓN A LOS 12 MINUTOS.
CALENTAMIENTO DE 20 mL DE AGUA A TRAVÉS DE CONDUCCIÓN,
EMPLEANDO UNA VARILLA DE COBRE.
Se espera que a medida que el tiempo transcurra, el agua dentro del vasito metálico
se vaya calentando de manera gradual por efecto de la conducción del calor a travésde la varilla del material empleado. Nuestro objetivo es determinar qué factores, en
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este caso el tipo de material de fabricación de la varilla, longitud y grosor, afectan
directamente el proceso de conducción.
TABLA 1A
MATERIAL: COBRE (Cu)DIÁMETRO: d =
5 mm
LONGITUD: b = 175 mm
TIEMPO
(min)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
CRONÓME
TRO DE
LECTURA
MÍNIMA:
0.1 segs.
TEMPERAT
URA
(°C )
23.
1
24.
2
24.
5
25.
0
25.
5
26.
1
26.
9
27.
6
28.
4
29.
3
30.
6
30.
7
31.
0
TERMÓME
TRO
DIGITAL
DE
LECTURA
MÍNIMA0.1 °C.
TABLA 1B
MATERIAL: COBRE (Cu)DIÁMETRO: d =
5 mmLONGITUD: b = 120 mm
TIEMPO
(min)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
CRONÓME
TRO DE
LECTURA
MÍNIMA:
0.1 segs.
TEMPERAT
URA
(°C )
23.
6
25.
8
26.
8
27.
8
28.
7
29.
5
30.
2
30.
7
31.
1
31.
4
31.
7
32.
1
32.
5
TERMÓME
TRO
DIGITAL
DE
LECTURA
MÍNIMA
0.1 °C.
TABLA 1C
MATERIAL: COBRE (Cu)DIÁMETRO: d =
3 mmLONGITUD: b = 175 mm
TIEMPO
(min)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
CRONÓME
TRO DE
LECTURA
MÍNIMA:
0.1 segs.
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TEMPERAT
URA
(°C )
27.
3
27.
4
27.
4
27.
8
28.
0
28.
2
28.
5
28.
7
29.
0
29.
2
29.
4
29.
6
29.
8
TERMÓME
TRO
DIGITAL
DE
LECTURA
MÍNIMA
0.1 °C.
TABLA 1D
MATERIAL: ALUMINIO (Al)DIÁMETRO: d =
5 mmLONGITUD: b = 175 mm
TIEMPO
(min)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
CRONÓME
TRO DE
LECTURA
MÍNIMA:
0.1 segs.
TEMPERAT
URA
(°C )
23.
0
23.
6
24.
3
24.
9
25.
7
26.
2
26.
9
27.
5
28.
1
28.
6
29.
0
29.
3
29.
6
TERMÓMETRO
DIGITAL
DE
LECTURA
MÍNIMA
0.1 °C.
PLOTEE SUS DATOS DE LA TABLA (TEMPERATURA VS TIEMPO)
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V. EVALUACION:
PRIMER EXPERIMENTO:
5.1 EL PAPEL TÉRMICO CAMBIA DE COLOR A UNOS 450 ºC; A UNA TEMPERATURA
INFERIOR ES AMARILLO, A UNA TEMPERATURA MENOR ES ROJO. ORDENE LAS VARILLAS
DE MEJOR A PEOR CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
A u m e n t o
d e l a c o n d u c t i v i d a d
d e
l c a l o r s e g u n e l m a t e r i a
l y s u s d i m e n s i o n e s material Diámetro(mm) Longitud(mm)
Cobre 5 mm 120 mmCobre 5 mm 175 mmCobre 3 mm 175 mm
Aluminio 5 mm 175 mmvidrio ………………… …………………
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En el cuadro anterior se muestra la conductividad según el tipo de material y su
longitud, pero sin importar su longitud el cobre tiene mejor conductividad térmica que
el aluminio, y éstos (cobre y aluminio) tienen mejor conductividad térmica que el
vidrio. El vidrio es un muy mal conductor del calor (tienen baja conductividad térmica)
por lo que se le llama aislante.
¿TIENEN LAS VARILLAS LA MISMA TEMPERATURA EN TODA SU
LONGITUD? RAZONE SU RESPUESTA.
No tienen la misma temperatura en toda su longitud, pues primero se calienta un
extremo en el que sus moléculas adquiere mayor térmica que se va transmitiendo de
la parte más caliente a la mas fría que son las partes que no reciben directamente el
calor de una fuente externa.
SEGUNDO EXPERIMENTO:
5.2 ¿POR QUÉ AUMENTA MUY POCO LA TEMPERATURA EN LOS DOS
PRIMEROS MINUTOS?
Porque el calor que se le transmite tiene que calentar primero al agua luego esta
calienta el extremo del metal, después el calor que se transmite por la varilla se
encuentra con el agua del vasito (que se encuentra al otro extremo de la varilla), el
cual también tiene que calentar el agua; es por eso que no se nota mayor cambio en la
temperatura que se mide en el vasito.
5.3 COMPLETE LA TABLA 2 CON LOS VALORES ∆T DE TODOS LOS GRUPOS DE LACLASE.
¿Qué metal conduce mejor el calor?
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De los resultados obtenidos en 5.1 decimos que el cobre conduce mejor el calor.
5.4 ¿QUÉ DIMENSIONES DE LA VARILLA METÁLICA TIENE MAYOR INFLUENCIA
SOBRE LA CANTIDAD DE CALOR QUE TRANSMITE?
La varilla de cobre de 120 mm de longitud y 5mm de diámetro es la que más calor
transmite a través de su longitud.
También en la experiencia notamos que la varilla de cobre de 3 mm de diámetro y 175
mm de longitud se calentaba más que la otra varilla del mismo material pero de 5 mm
de diámetro y 175 mm de longitud.
5.5 FORMULE EN UNA EXPRESIÓN CUANTO / TANTO LA RELACIÓN ENTRE LASDIMENSIONES DE LA VARILLA Y LA CANTIDAD DE CALOR.
Que viene a ser la ley de Fourier para la conducción que relaciona las dimensiones de
la varilla y la cantidad de calor. Donde:
• K: coeficiente de conductividad térmica. (Cal/m.s.ºC)
• ∆x: longitud de la varilla (m).
MATERIAL DIAMETRO
(mm)
LONGITUD(mm)
Cobre 5 175Aluminio 5 175
Cobre 3 175cobre 5 10
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• A: Área de la sección transversal (m2).
• T1 Y T2: temperatura en los extremos (ºC).
• Q/t: Cantidad de calor transmitida por unidad de tiempo (cal/s)
5.6 INVESTIGUE LA FUNCIÓN DEL MATERIAL LLAMADO LA VASIJA DE
INGENHOUZ.
Es un dispositivo, el cual consiste en una caja de latón con mango de madera con
nueve barras exteriores. Es utilizado para comparar la ductibilidad de los diferentes
metales (capacidad para formar hilos o alambres), empleando para esto barras de
cobre, de latón, de cinc, de estaño, de hierro y plomo.
APARATO DE INGENHOUZ
VI. CONCLUSIONES:
• El calor a través de un medio se desplaza de las zonas de mayor temperatura a
zonas de menor temperatura.
• Observando la grafica según los datos de la tabla 1 decimos que la transferencia
de calor es mejor cuando el cuerpo tiene menor longitud.
• Cada material tiene una velocidad de conducción del calor, por eso se nota que
un material se calienta más rápido que otro.
• Verificamos que el vidrio es un mal conductor del calor, pues el papel térmico
que tenia a un extremo no cambio de color.
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• La transferencia de calor de un cuerpo caliente a otro más frío no puede
detenerse, pero si puede hacerse más lento.
VII. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES:
• El papel térmico debe de estar lo más alejado posible del vapor de agua para
que no influya en su color.
• Se baja la intensidad de fuego del mechero para que el agua no siga
aumentando su temperatura.
• Hubiese sido mejor trabajar con varios mecheros para ahorrarnos el tiempo, ya
que se tuvo que hacer las mediciones de temperatura con cada varilla durante
12 minutos.
• Al medir la temperatura inicial del agua se obtuvo 23 0C para las dos primeras
varillas, pero luego se obtuvo 27 0C; esto al parecer porque el aire del ambiente
de trabajo se había calentado debido al mechero que se mantenía prendido.
IX. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN RESISTENCIAS METÁLICAS
Como sabemos, los metales son buenos conductores de calor, unos lo son más que
otros. La propiedad que se le asocia a un metal de conducir de manera más o menos
eficiente el calor, la cual se denomina conductividad térmica.
• En metales de alta pureza, el mecanismo de transporte de calor se realiza
fundamentalmente por los electrones. Los valores de la conductividad son losmás altos ya que los electrones no son tan fácilmente dispersados y además
existe un gran número de electrones libres que participan en la conducción
térmica.
• Aleando los metales con impurezas se produce una reducción en la
conductividad térmica, por la misma razón que disminuye también la
conductividad eléctrica. Los átomos de impurezas, especialmente si están en
disolución sólida, actúan como centros de dispersión, disminuyendo la eficiencia
del movimiento de los electrones.
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CÓMO INFLUYE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA DEL CONDUCTOR
• La temperatura influye directamente en la resistencia que ofrece un conductor
al paso de la corriente eléctrica. A mayor temperatura la resistencia se
incrementa, mientras que a menor temperatura disminuye.
• Sin embargo, teóricamente toda la resistencia que ofrecen los metales al paso
de la corriente eléctrica debe desaparecer a una temperatura de 0 K,
equivalente a – 273,16 ºC; punto del termómetro donde se supone aparece la
superconductividad o "resistencia cero" en los materiales conductores.
• En el caso de los metales la resistencia es proporcional a la temperatura, es
decir si la temperatura aumenta la resistencia también aumenta y viceversa, si
la temperatura disminuye la resistencia también disminuye; sin embargo, si
hablamos de elementos semiconductores, como el silicio (Si) y el germanio(Ge), por ejemplo, ocurre todo lo contrario, pues en esos elementos la
resistencia y la temperatura se comportan de forma inversamente proporcional,
es decir, si una sube la otra baja su valor y viceversa.
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GRÁFICA DE LA VARIACIÓN DEL VALOR DE LA RESISTENCIA DE DISTINTOS TIPOS DE CONDUCTORES A
DIFERENTES TEMPERATURAS. NÓTESE LAS PARTICULARIDADES DEL SEMICONDUCTOR.
La alta conductividad térmica y eléctrica en los metales tienen una razón común, y es
la presencia de electrones libres en los metales.
Es más, existe la ley de Wiedemann - Franz, la cual establece teóricamente una razón
entre ambas conductividades valida para todos los metales. Considerando la
conductividad eléctrica y térmica de los metales originada como el proceso de difusión
de electrones libres en ellos, se obtiene la siguiente fórmula que relaciona la
conductividad térmica [K] con la conductividad eléctrica [Ce]
2
2
3 . K k T
Ce e=
Donde:
• k : constante de Boltzmann.
• T: temperatura a la que se encuentra el metal.
• e: carga del electrón.
En efecto la alta conductividad eléctrica y térmica de los metales es originada en el
proceso de difusión de electrones libres según la física clásica.
VIII. BIBLIOGRAFIA
Manual de Laboratorio de Física I. Facultad de Ciencias Físicas. Departamento
Académico de Física de Estado Sólido. Universidad Nacional Mayor de San
Marcos. 2009, Lima-Perú.
Química. Sétima Edición. Reymond Chang. Editorial Mc Grawl Hill.
Manual de Laboratorio de Física III. Facultad de Ciencias Físicas. UniversidadNacional Mayor de San Marcos. 2010, Lima-Perú.
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Guía de Laboratorio de Química General para la E.A.P. de Ingeniería Eléctrica.
Facultad de Química e Ingeniería Química. Departamento Académico de Química
Inorgánica. Universidad Nacional Mayor de San Marcos. 2009, Lima-Perú.
Física Universitaria Volumen 1. Decimosegunda edición. Young-Freedman, Sears-
Zemansky. Editorial Pearson, Atlacomulco. 2009. México.