Diez pruebas con Calor y Temperatura

 

Continuando con la serie Diez pruebas con… esta vez le toca el turno al calor y la temperatura, encontraran pruebas tradicionales como calcular el calor específico de los materiales, equilibrio térmico y otras no tan comunes que han causado un buen impacto entre mis chicos, como el efecto Seebeck-Peltier donde se usará el termómetro múltiple descrito en este mismo blog, ( acá. ).

1. El calor específico de los materiales

Como recordarán el calor específico es una magnitud física que expresa la cantidad de calor que será necesario aplicar a una unidad de masa para elevar un grado (Celsius o Kelvin) su temperatura.

Para este ensayo necesitaremos un termómetro, un termo que usaremos como calorímetro, una balanza y distintos objetos de cobre, plomo, hierro a los que calcularemos su calor específico.

Para la prueba nos valdremos de la ley de las mezclas que establece que cuando dos sistemas a distinta temperatura se ponen en contacto el que tiene mas calor le cede al otro una parte de ese calor hasta que ambos sistemas se encuentran a igual temperatura.

Calor cedido Qc = M₁ . C₁ ( t₁ – t)

Calor absorbido: Q_a = M₂ . C₂ ( t – t₂)

Donde M1 y M2 son las masas, C1 y C2 los calores específicos t1 y t2 las temperaturas iniciales y por último t corresponde a la temperatura final.

Cuando ambos cuerpos llegan al equilibrio térmico el calor absorbido y cedido tienen el mismo valor por tanto:

M₁ . C₁ ( t– t1)= M₂ . C₂ ( t2 – t)

Midiendo el calor específico de un material (cobre en este caso)

Pesamos el material para obtener M2, en este caso

M2= 152.7

Pesando un viejo martillo de un soldador de estaño

Luego medimos unos 300 cm3 de agua con una probeta, o en su defecto pesamos en un recipiente previamente tarado 300gr de agua, valor que corresponde a M1 esta medida debe ser exacta.

M1= 300 gr

El calor específico del agua es conocido y es de 1cal/g ºC

C1=1cal/g ºC

Para calcular el C2 despejando de la ecuación anterior nos queda:

C₂ = M₁ . C₁ ( t– t1)/ M₂ ( t2 – t)

Procedimiento:

En un recipiente colocamos el material a estudiar (cobre en este caso) le ponemos agua hasta cubrirlo completamente y llevamos a ebullición, cuando llegue a ese estado sabremos que su temperatura (t2) es de 100ºC

La imagen ilustra el termo del mate usado como calorímetro

t2= 100ºC

En el termo que usaremos de calorímetro (preferible usar termos de vidrio, no de acero ni de aluminio) volcamos los 300 gr de agua que pesamos previamente y colocamos el termómetro para obtener el valor de t1

t1=20.6 °C

Del agua hirviendo sacamos el material a estudiar e inmediatamente lo colocamos dentro del termo, lo cerramos perfectamente y vamos tomando la temperatura del agua de su interior, que veremos va a aumentar. Una vez que ya deja de subir la temperatura registramos este valor que corresponderá a t

t= 23.9

Con este registro ya tenemos todos los datos necesarios para hacer el cálculo:

C₂ = M₁ . C₁ ( t– t1)/ M₂ ( t 2– t)

C₂= 300gr. 1cal/gr ºC(23.9°C-20.6°C)/152.7gr (100°C-23.9ºC)=

C₂= 0.085 cal/gr°C

El material usado para la experiencia es un martillo de soldador de estaño que tiene un alto porcentaje de cobre, como es usado seguramente tendrá restos de plomo y estaño, el valor de tabla de calor específico para el cobre puro es de 0,093 cal/gr°C

2. Equilibrio térmico

Siempre resulta interesante visualizar gráficamente con curvas, estos fenómenos de transferencia de calor, arduino nos proporciona una herramienta magnífica para esto, usaremos además dos programas gratuitos, RealTerm y KST que ya han sido usados anteriormente (link)

Con RealTerm obtenemos un archivo .cvs (comma-separated values) que nos permitirá

hacer la curva

Procedimiento

Se toman dos recipientes uno que pueda ser colocado dentro del otro, en el mas grande se coloca agua de la canilla mas o menos hasta la mitad y en el recipiente mas chico se vierte agua caliente hasta mas o menos alcanzar el nivel del agua del otro.

En ambos recipientes se coloca una sonda del termómetro múltiple cuidando que no toquen las paredes de los recipientes.

Abrimos RealTerm y encontraremos que arduino nos esta enviando lecturas cada segundo, para que esta pantalla se vea será necesario ajustar los Baud y el Port y luego Change

En la solapa capture abrimos un archivo equilibrio.cvs

Ahora corremos KST y abrimos el archivo equilibrio.cvs y seleccionamos “Time interval”

Damos siguiente y seleccionamos las columnas que nos interesan, en este caso la Columna 1 corresponde al tiempo en segundos, la segunda y tercera al texto “Term1 =” y la cuarta es uno de los valores a elegir, Luego la la quinta y sexta corresponden a “Term2 =” y la columna séptima será el otro valor que nos interesa. Pasadas ambas columnas (4 y 7) al lado derecho damos siguiente

En la siguiente pantalla elegimos la columna que va a ser la abscisa de nuestra curva en este caso columna 1

Luego siguiente

Elegimos que vuelque los datos a un solo gráfico

Y siguiente:

En tiempo real veremos como las curvas de ambas temperaturas se van acercando hasta llegar a una sola línea, momento del equilibrio térmico.

La línea verde corresponde al agua caliente que estaba dentro el recipiente mas chico y la negra al recipiente mas grande, como la masa del agua del recipiente mas grande es mayor sufre una variación térmica menor, si las masas de agua de ambos recipientes fueran iguales la curva sería perfectamente simétrica

3. Transferencia de calor por radiación

Este es un muy lindo experimento descrito en antiguo libro de física de 1862 “Tratado elemental de Física” de A.Ganot que puede descargar gratuitamente acá

El dispositivo básicamente esta compuesto de dos espejos parabólicos que bien pueden ser dos ópticas de vehículo, o dos espejos de linterna, una lámpara halógena, fuente para alimentar la lámpara, soportes etc

Se coloca en el foco de uno de los espejos una lámpara halógena y en el foco del otro un papel negro o un fósforo con la parte que enfrenta al espejo pintada de negro, al darle tensión a la lámpara inmediatamente arde el papel en el otro espejo que lo enfrenta.

He probado el sistema con dos ópticas de vehículo como ilustra la imagen, pero usar los espejos parabólicos del juguete científico Mirascope 3D es mucho mas efectivo, se puede hacer alguna prueba con espejos de depilación que seguramente también funcionará.

 

El video que ilustra la prueba.

 

 

4. Curva de cambio de estado del agua

Para que la curva salga bastante bien debemos tomar un trozo de hielo grande, de mas o menos 10 por 10 cm y practicarle una perforación donde se coloca la sonda del termómetro, luego el hielo se lo coloca en un recipiente que se lleva al fuego.

Como hicimos antes ,se abre RealTerm y una vez seleccionada la velocidad en baud y el puerto se pasa a la solapa de captura donde ingresaremos el nombre del archivo, en este caso cambiodefase.cvs y Start.

Luego corremos KST y abrimos el archivo, seleccionamos la columna del termómetro, la cuatro en este caso, luego la columna de las abscisas (la 1) la forma de la grafica y comenzaremos a ver en tiempo real la formación de la curva.

A medida que el hielo se va derritiendo la temperatura se irá manteniendo en cero, algunas veces sube un poco y vuelve a bajar, no olvidemos que el calor provoca corrientes convectivas en el interior del líquido.

El resultado algo así:

A partir de los 150 segundos se mantuvo en cero porque había hielo todavía, de ahí en mas comenzó a subir hasta los 500 segundos donde entra en ebullición y vuelve a una meseta.

5. Un motor que funciona con la expansión y contracción de un gas

Este tipo de motores lo inventó un religioso escoses llamado Stirling, hay gran variedad de estos motores con variados diseños, son muy versátiles, funcionan por cambio de temperatura entre dos focos, es decir es un motor térmico.

Como la idea es que lo pueda reproducir cualquier persona he armado este dispositivo muy sencillo y funciona perfectamente.

Los materiales que necesitaremos son bien pocos, un tubo de ensayo 5 bolitas (canicas) que entren en el tubo, un tapón con orificio una manguerita de goma o silicona, una jeringa de vidrio de 5cm3 y ganas de hacerlo, ah! lo mejor, tenés que tomarte dos latitas de cerveza para hacer el mechero de alcohol.

Todos los materiales, la madera que va de base tiene una perforación por donde pasa el émbolo de la jeringa. El tubo de ensayo es grueso mas o menos unos 50 a 60 cm3, se puede usar una probeta. El soporte del balancín con un tubo de pvc de 5cm de diámetro

Detalle del émbolo por debajo de la tabla

Es muy importante que la jeringa sea muy suave, conviene pulir el émbolo con lija numero 500 hasta que se note que no se traba en ninguna parte del recorrido. Creo que es el secreto para que funcione.

Detalle del balancín de PVC con dos tornillos, haciendo el agujero un poco menor del diámetro del tornillo 3/16 2’ con el mismo tornillo se hace la rosca.

El resorte va al fondo del tubo para que la canica no lo rompa.

Mecherito con latitas y tapón de goma

El modelo armado.

Un video del funcionamiento

 

 

6. Dilatación

Todos los cuerpos materiales, sólidos líquidos y gases, cuando aumenta su temperatura (el promedio de la energía cinética de sus átomos) aumentan su volumen y disminuyen su densidad (salvo excepciones como el agua que tienen anomalías)

A excepción de los gases hay tres tipos de dilatación en sólidos y líquidos, longitudinal, superficial y cúbica.

Un dispositivo histórico para comprobar la dilatación cúbica es el anillo de Gravesande.

Es un esfera metálica, que pasa con lo justo por un anillo, cuando la esfera se expone al calor ya no puede atravesarlo.

7. Efecto Seebeck

Otro efecto interesante del calor, es la posibilidad de generar una diferencia de potencial (voltaje) cuando se unen dos metales diferentes y se calienta dicha unión.

Como ambos metales son diferentes, siempre que se unen hay una circulación de electrones de uno a otro, este fenómeno fue el primer efecto termoeléctrico que se descubrió, luego fue el efecto Peltier que veremos en la siguiente prueba y que de hecho esta muy relacionado con el de Seebeck.

Necesitaremos para comprobar el efecto Seebeck , un multimetro o tester que tenga la posibilidad de leer milivoltios, (también se puede usar un galvanómetro si se dispone de él), alambres de diferente material y un mechero para calentar las uniones.

Lo mas adecuado sería soldar la unión entre ambos metales pero como no siempre se tiene la posibilidad, uniremos los dos metales simplemente enroscándolos entre ellos.

Unión de alambres de cobre y de acero.

Distintos materiales para la prueba, hay una aleación de níquel y cobre llamada constantan muy adecuada para hacer estas pruebas, se usa en resistencias eléctricas

En el multímetro se selecciona la escala de mV

En la imagen puede verse que existen 2,3 mV de tensión entre los dos alambres de cobre y de acero cuando se calienta la unión con el mechero.

Observe que en este caso de un par de constantan y cobre la diferencia de potencial es de 46.8 mV

Pruebas con distintos pares

Acero-Cobre 2,4 mV

Constantan –Cobre 48 mV

Constantan- Nicrome 55 mV

Consantan- Acero 50 mV

Este fenómeno de Seebeck es muy usado en los llamados termopares o termocuplas, que se usan en la cotidianidad de de nuestros hogares, podemos ver por ejemplo, en los artefactos de gas que tienen válvulas de seguridad activadas por dispositivos que aprovechan este fenómeno, son una especie de alambre que es calentada por el piloto del artefacto.

 

También hay sondas para medir temperatura, que utilizan el efecto Seebeck

En este caso una sonda K, puede verse sobre el conector la unión bimetálica que oficia de sensor.

8. Efecto Peltier

Varios años después del descubrimiento del efecto Seebeck , Jean Peltier redescubre el fenómeno. Peltier hace referencia a una diferencia de temperaturas, debida a la aplicación de una tensión a una junta de dos metales diferentes o dos semiconductores, el fenómeno ocurre enfriando uno de los metales y el calentando el otro.

Para verificar este fenómeno vamos a necesitar una célula peltier, son baratas  unos 3 U$A con los costos de envío incluidos. http://www.ebay.com/sch/i.html?_odkw=peltier&_sop=15&_osacat=0&_from=R40&_trksid=p2045573.m570.l1311.R1.TR4.TRC2&_nkw=thermoelectric+cooler+peltier&_sacat=0

Podemos hacer dos experimentos bastante llamativos con este semiconductor.

Generar electricidad con una diferencia de temperaturas.

Para el experimento necesitaremos

Una célula peltier.

Un motor de corriente continua de 4 o 6 v de algún juguete (El que se ve en la imagen fue sacado del mecanismo de cierre de una compactera desguazada).

Agua caliente

Hielo.

Como puede verse se conectan los terminales de la celda Peltier a los polos del motor y la celda se coloca sobre un pequeño disipador dentro de un recipiente donde se agregará agua caliente, en otro recipiente metálico preferentemente con fondo plano para que haga buen contacto con la celda se pone agua con hielo.

El video de lo que pasa

 

Generando una diferencia de temperaturas con la celda Peltier alimentada con una fuente de PC.

En esta experiencia se va a hacer una gráfica de la diferencia térmica de ambas caras de la celda, usando el termómetro múltiple con arduino.

Se colocan a cada cara de la celda un pequeño radiador recuperado de los micros de CPU, los terminales de la celda se conectan a un conductor negro de la fuente de PC y el rojo a uno de los rojos, que son 5V, se puede alimentar con 12V también usando un terminal amarillo. A cada disipador se coloca una de las sondas del termómetro con un poco de grasa siliconada, y se hace el mismo procedimiento con Realterm y KST que hicimos en la prueba 2 por lo que no lo voy a repetir acá, pero en el video se ve el proceso.

La celda con sus dos disipadores cada uno con su sonda de temperatura, la conexión a los terminales de una fuente de PC

Acá todo el circo armado, en la pantalla se ven los datos que arduino manda por el serial y Realterm los permite visualizar.

Es una curva justo al revés de la que obtuvimos en el equilibrio térmico, aca se parte del equilibrio y cuando se le da la tensión a los 50 segundos una cara de la celda se calienta (línea verde ) y la otra se enfría (línea negra)

El video de la experiencia:

9. La convección

Son variados los experimentos que pueden realizarse para “ver” esta forma de propagación del calor, casi siempre hacemos globos aerostáticos con bolsas de consorcio, pero para esta serie de pruebas elegí un experimento más gráfico, se trata de visualizar el efecto en el humo.

Los materiales que necesitaremos son de lo mas comunes, una botella PET (soy fanático de hacer experimentos con estos envases) una hoja de papel, y un encendedor.

Se practican dos agujeros en la botella que debe ser de las transparentes y lisas para que se vea mejor el efecto, en el orificio superior se inserta un rollito de papel hecho con la hoja de papel y se enciende la punta que esta fuera de la botella, en unos segundos se comienza a ver como el humo empieza a caer y se deposita en el fondo de la botella.

El humo es mas pesado que el aire sin embargo cuando encendemos una fogata se ve ascender, eso se debe a las corrientes de convección que la llama produce, como en este caso el humo va a parar a un recinto que mantiene su temperatura no hay corrientes de convección y cae en forma de catarata.

Cuando hay ya depositado humo en la parte inferior de la botella con cuidado la levantamos y acercamos una llama a la base de la botella e inmediatamente veremos como el humo asciende dejando a la vista estas corrientes.

10. El radiómetro de Crookes

Cuando Crookes inventó este dispositivo intentaba medir la fuerza de la radiación electromagnética, el caso era que en las caras que reflejaban las partículas rebotaban y la fuerza ejercida sobre ellas debía ser del doble del que recibían las superficies que absorbían la partícula, pero se encontró con que su radiómetro funcionaba justo al revés.

Solo hace relativamente poco tiempo se logró un aparato que pudiera medir la radiación,

En los casos anteriores se obtuvo el efecto contrario, debido al calentamiento de las caras negras que absorben la radiación electromagnética y, a su vez, calientan el gas que se encuentra en las cercanías (este efecto se produce porque el vacío en el interior del radiómetro no es un vacío total) aumentando la presión sobre su superficie, lo que determina la rotación de las aspas en el sentido contrario al esperado, por un efecto puramente termodinámico.

Para fabricar nuestro radiómetro necesitaremos de un frasco de mermelada, un trozo de papel de aluminio para horno, una lámpara de filamentos quemada, unos alambritos de cobre una vela y cemento de contacto.

Además será necesario contar con una bomba de vacío, dado que si no se logra el vacío suficiente el cacharro no va a funcionar. He usado una bomba de las que usan los frigoristas, es una bomba mecánica capaz de alcanzar vacíos de entre 20 y 100 micras. Lamentablemente este último requerimiento es imprescindible y mandatario, pues no va a funcionar sin el, hice algunas pruebas con una jeringa grande, pero fracasó, se podría probar invirtiendo el émbolo de un inflador para bici, pero dudo se llegue al vacío requerido, bueno hay que probar….

Del foco quemado sacaremos ese pequeño tubo que servirá de campana para el molinillo, será conveniente cortarlo con el Dremel y luego calentar la punta hasta que quede perfectamente redondeado.

El tubito con los alambres que servirán de soporte a los álabes

Los álabes deben ser exactamente iguales, el molinillo debe estar muy bien balanceado

Se pegan con cemento de contacto y debe quedar mas o menos como esto.

Para ahumar de un lado las laminillas debe hacerse con cuidado para que no se queme el aluminio que es muy delgadito, un video de cómo se hace.

Para colocarlo en el frasco se pega al fondo del mismo un tapón de goma con una aguja donde se deposita el molinillo.

Por último se hace el vacío y se prueba con una lámpara halógena