Experimentos de transferencia de energía térmica

¿Qué es la transferencia de energía térmica?

Antes de hablar de las transferencias de energía, recordemos la definición de energía térmica.

Existen tres métodos principales de transferencia de energía térmica. Estos son: la convección, la conducción y la radiación.

Fig. 1: La transferencia de calor puede ocurrir mediante convección (convection), conducción (conduction) o radiación (radiation).

Formas de transferencia de energía térmica

Existen experimentos utilizados para investigar el comportamiento de la transferencia de energía térmica. Cada uno depende del método de transferencia de energía que queramos estudiar. Veamos los tipos de transferencia de calor.

Existen dos tipos de convección: la convección natural y la convección forzada.

• La convección natural se produce por el movimiento del fluido (debido a las diferencias de densidad en este), que es causado por las diferencias de temperatura.
• La convección forzada se produce por el movimiento del fluido, debido a una bomba o ventilador.

Experimento de transferencia de calor por conducción

El objetivo de este experimento es investigar la velocidad de conducción en diferentes metales. Más concretamente, se utilizan cuatro tipos diferentes de metal para investigar cuál de estos tiene la tasa de conducción más alta y más baja.

Veamos algunos ejemplos, a continuación.

Materiales

• Soporte.
• Quemador.
• Rodamiento de bolas.
• Aluminio.
• Cobre.
• Anillo de conducción.
• Hierro.
• Latón.
• Cera.
• Cronómetro.

Fig. 2: Esquema del experimento de conducción.

Metodología

1. En primer lugar, fijamos los rodamientos en un soporte y colocamos un mechero tipo Bunsen debajo de estos.
2. A continuación, colocamos cuatro tipos diferentes de tiras metálicas, de igual anchura y longitud, sobre los rodamientos: dos en horizontal y dos en vertical, de forma que se junten en el centro (como se ve en la Figura 1). Estos cuatro metales son hierro, latón, cobre y aluminio.
3. Con cera, fijamos las tiras de metal a los rodamientos, para que no se muevan.
4. Hay que calentar las tiras, con el quemador, en el punto central donde se tocan las tiras.
5. El calor debe ser conducido desde el punto de contacto de las tiras hasta el rodamiento de bolas.
6. Cuando el calor se transmite a lo largo del rodamiento, la cera se funde y el rodamiento cae.
7. Con un cronómetro, registramos el tiempo necesario para que la cera se funda en cada tira metálica, y construimos una tabla con los datos registrados.
8. Se repite el experimento, para calcular la media de cada tiempo.

Utilizando el tiempo que tarda cada tira en caer, se encuentra qué material es el mejor conductor térmico o tenía la mayor conductividad térmica. Los resultados se muestran en la tabla siguiente. Estos se clasifican en función del tiempo que tarda la cera en fundirse en cada tira. El metal con la conductividad más alta es el cobre y el metal con la conductividad térmica más baja es el hierro.

Tabla 1: Clasificación de algunos de los metales usados en el experimento,

de mayor a menor conductividad térmica.

Fuentes de errores aleatorios

• Cada tira de metal debe tener el mismo tamaño; es decir, anchura y longitud.
• La cantidad de cera empleada debe ser la misma en cada tira.
• Los rodamientos tienen que ser idénticos.

Fuente de errores sistemáticos

• No dejar que las varillas se enfríen a la temperatura ambiente, antes de calentarlas, para que todas se calienten a la misma temperatura.

Experimento de transferencia de calor por convección

El objetivo de este experimento es investigar la velocidad de convección de los cristales de permanganato de potasio en dos temperaturas diferentes de agua.

Materiales

• Mechero tipo Bunsen.
• Trípode.
• Vaso de precipitado.
• Agua.
• Cristales de permanganato de potasio.
• Estera resistente al calor.

Fig. 3: Esquema del experimento de convección.

Metodología

1. El vaso de precipitados se llena con \(250\,\,\mathrm{ml}\) de agua fría y se coloca en el trípode. Debajo de la base, se coloca una esterilla resistente al calor (como se ve en el esquema de la Figura 2).
2. Los cristales se dejan caer —con mucho cuidado y lentamente— en el centro del vaso de precipitado, para que los cristales no se disuelvan.
3. Se calienta el vaso con el quemador.
4. Se registran las observaciones, como se indica a continuación.
5. Se repite el experimento, utilizando agua caliente (en lugar de fría) y se anotan las observaciones.
6. Se calienta el vaso de precipitado con el mechero Bunsen y se anotan las observaciones
7. Se repite el experimento, desde el principio, empleando la misma cantidad de agua; pero, en lugar de agua fría, se emplea agua caliente y se anotan las observaciones.

Observaciones

• El calor se transfiere, inicialmente, de la llama del mechero a las paredes del vaso por conducción.
• A continuación, el agua más cercana a la llama se calienta y se expande. Así, el agua se vuelve menos densa y sube a la parte superior del vaso. Mientras tanto, los cristales se disuelven lentamente y también se desplazan hacia arriba, con el agua en expansión.
• El agua de la parte superior del vaso se enfría al cabo de un rato y se vuelve más densa, lo que hace que vuelva a caer al fondo.

Análisis de los resultados

• Todo este proceso de las observaciones registradas se continúa. Esto es lo que llamamos transferencia de calor por convección, ya que el calor se transfiere a través del líquido.
• Los cristales siguen este camino llamado corriente de convección, en el que suben a la parte superior y luego caen al fondo.
• Cuando se repite el proceso con agua fría, se observa que la corriente de convección es más rápida en el agua caliente. Por lo tanto, de las observaciones anteriores se puede extraer la conclusión de que, cuanto mayor es la temperatura del líquido, mayor es la energía cinética de las moléculas. En consecuencia, en el experimento con agua caliente, las moléculas de los cristales se disuelven y se mueven más rápidamente que en el experimento con agua fría.

Fuentes de errores aleatorios

• La cantidad de agua en el vaso de precipitados debe ser exactamente la misma.
• El quemador debe tener la misma llama en ambos experimentos.
• Los cristales deben tener el mismo tamaño.

Factores que afectan a la convección

• El gradiente de temperatura entre los dos materiales de interés.
• El área de la sección transversal de los materiales implicados.
• Las propiedades de los materiales.

Experimento de transferencia de calor por radiación

El objetivo del experimento es investigar si la cantidad de radiación infrarroja absorbida por una superficie depende de las características físicas de dicha superficie.

Equipo

• Agua caliente.
• Cuatro vasos de precipitados de diferentes colores.
• Termómetro.

Fig. 4: Experimento de radiación.

Metodología

1. Coloca los cuatro matraces de diferentes colores sobre una superficie y déjalos a temperatura ambiente, para que alcancen la misma temperatura.
2. Llena los matraces con agua caliente.
3. Crea una tabla con cinco columnas: una con el tiempo y una columna para cada matraz de color. Registra la temperatura inicial.
4. Mide las temperaturas a intervalos regulares; por ejemplo, cada 30 segundos.

Análisis de los resultados

• Los resultados de la tabla se representan en un gráfico de temperatura frente al tiempo, que incluye todas las temperaturas diferentes de cada matraz, utilizando diferentes colores para cada matraz. Los resultados esperados de la gráfica deben ser similares a los de la Figura 5, que es una gráfica temperatura-tiempo.

Fig. 5: Gráfico de la temperatura vs. tiempo en un experimento de transferencia de energía térmica por radiación.

• Cualquier diferencia en la pérdida de calor en los vasos se debe a la radiación térmica infrarroja, ya que los vasos tienen una forma idéntica.
• La tasa de pérdida de calor o de enfriamiento para cada vaso de precipitado puede concluirse a partir del gráfico.
• También se puede concluir, a partir del gráfico, que la intensidad de la radiación térmica emitida debe depender del color; así como de la temperatura del cuerpo (que fue la misma en este experimento) y de la superficie (que también fue la misma durante este experimento).

Fuentes de errores aleatorios

• Realizar lecturas repetidas para cada matraz de color.
• Leer los valores en el termómetro a la altura de los ojos, para evitar el error de paralaje.
• Misma cantidad de agua caliente.
• Misma temperatura inicial del agua.
• Mismo intervalo de tiempo.

Fuentes de errores sistemáticos

• Asegúrate de que la temperatura inicial del agua sea la misma para cada material.
• Utiliza un registrador de datos conectado a un termómetro digital, para obtener lecturas más precisas.

Consideraciones de seguridad

• Debes usar gafas de seguridad, cuando se emplee un mechero Bunsen.
• Mantén el agua alejada de todos los equipos eléctricos.
• Asegúrate de no tocar el agua caliente directamente.