Informe de Ondas y Calor Elaborado

LABORATORIO DE ONDAS Y CALORNro. PFRPágina 1

Tema :ANALISIS GRÁFICO. CANTIDAD DE CALOR

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1. INTRODUCCIÓN

Debido al avance de la tecnología y la necesidad de estar a la vanguardia en aplicación de conocimientos. TECSUP adiestra a sus estudiantes con equipos adecuados a laboratorios en los cuales el alumno aplica conocimientos base e interactúa con equipos informáticos vanguardistas preparándolos para el mundo laboran es por eso q presenta la siguiente practica de laboratorio.

2. OBJETIVOS

Comprender y familiarizarse con el software Pasco Capston

Comprender y aplicar los procesos de configuración, creación y edición de experiencias en física

utilizando la PC y los respectivos sensores.

Verificar los resultados de análisis proporcionados por el software, con los modelos matemáticos

dados en clase y establecer las diferencias.

Determinar relaciones matemáticas entre las variables físicas que interviene en un experimento.

Estudiar la cantidad de calor que absorbe un líquido dependiendo de las variaciones de la

temperatura, durante un intervalo de tiempo.

Realizar un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbido por un líquido en función de su

masa.



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3. ANALISIS DE TRABAJO SEGURO

Implementos de protección personal.

Análisis de Trabajo Seguro (ATS)

N° TAREAS RIESGOS IDENTIFICADOS MEDIDAS DE CONTROL DEL RIESGO

1 Recojo e materiales Posibles tropiezo en el traslado

Tener precaución al caminar con los utilitarios

2 Conexión de los equipos eléctricos (pc, interface, cocina)

Riesgo eléctrico. No tener las manos mojadas y ser cauteloso al enchufar

3 Instalación de sensores y equipos

Daños al equipo y daños personales

Montar cuidadosamente los implemos sin romperlos y prevenir futuros accidentes.

4 Trabajar con materiales calientes (cocina, vaso depresipitado

Riesgo de quemaduras y dañado del equipo

Evitar contacto con superficies calientes y también el contacto de materiales destructibles con calor

5 Trabajos con materiales de vidrio (vaso depresipitado)

Ruptura de objetos de vidrio Trabajar con cautela con y no hacer cambios bruscos de temperatura en ellos

6 Recojo y entrega de materiales.

Riesgo eléctrico, riesgo de quemaduras, lesiones y ruptura de materiales o de los porcelanatos.

Tener precaución al momento de desconectar los equipos eléctricos , al momento manipular objetos calientes, y al transportar los a sus lugares cuidar de no hacer caer objetos la piso.

NINGUN TRABAJO ESTAN IMPORTANTE QUE NO PODAMOS DARNOSTIEMPO PARA HACERLO CON SEGURIDAD



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4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Análisis gráfico. Cantidad de calor

Gráficos

Los gráficos son una de las principales maneras de representar y analizar los datos en ciencia y tecnología.

Elección de variables

Elección de escalas

Identificación de los datos y el grafico

Ajuste de curvas

Consiste en determinar la relación matemática que mejor se aproxime a los resultados del fenómeno medido. Para realizar el ajuste, primero elegimos la función que se aproxime a la distribución de puntos graficados.

Función lineal: Y=a+bXFunción cuadrática: Y=a+bX+cX2

Método gráfico

Método de mínimos cuadrados

Cantidad de calor

Cuando una sustancia se le añade energía sin hacer trabajo usualmente suele aumentar su temperatura. Para esto necesitaremos las siguientes formulas.

Q=m×c×∆T

Qo=T f−T ot

×m×c



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5. MATERIALES Y EQUIPOS DE TRABAJO

TABLA 5.1

Material Imagen

Computadora personal con programa Data Studio y PASCO Capston instalado.

Calculadora científica

Interface USB Link.

Y= mx + b

m=N∑ x i y i−∑ x i∑ y i

N∑ x i2−(∑ xi )

2

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i∑ x i y i

N∑ x i2−(∑ x i )

2



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Sensor de temperatura

Balanza

Pinza universal.(2)

Nuez doble (3).



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Soporte universal

Vaso de presipitado (vidrio; plástico)

Interface 850 universal Interface

cocina



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Cinta masking tape

Cámara fotográfica

6. PROCEDIMIENTOS, RESULTADOS Y CUESTIONARIO

6.1 PROCEDIMIENTOS

6.1.1 Método de los mínimos cuadrados.

Tomemos como ejemplo ahora la relación entre la deformación y fuerza (Ley de Hooke). Se obtuvieron los siguientes datos.

TABLA 6.1

Deformación

(m)

0.009

0.015

Peso (N) Deformación

(mm)

0.3 9

1.2 15

1.6 24

2.2 27

3.7 49



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0.024

0.027

0.049

Usando el método de mínimos cuadrados halle los valores de m y b.

TABLA 6.2

Xi Yi Xi Yi Xi2

0.3 9 2.7 0.09

1.2 15 18 1.44

1.6 24 38.4 2.56

2.2 27 59.4 4.84

3.7 49 181.13 13.69

∑ Xi = 9 ∑ Yi = 124 ∑ Xi Yi = 299.63 ∑ Xi2

= 22.62

1.1.1 Cálculo de la pendiente.

m=N∑ x i y i−∑ x i∑ y i

N∑ x i2−(∑ xi )

2

m=(5 ) (299.63 )−(9 ) (124 )

(5 ) (22.62 )−(9 )2 m=11.9050

1.1.2 Cálculo del intercepto.

b=∑ xi2∑ y i−∑ x i∑ x i y i

N∑ x i2−(∑ x i )

2



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b=(22.62 ) (124 )−(9 ) (299.63 )

(5 ) (22.62 )− (9 )2 b=3.3710

Fig.6.1. Gráfica de los datos con aproximación lineal de la TABLA 5.1

1.1.3 Uso del PASCO Capstone.



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Fig.6.2. PASCO Capston

Ingrese al programa PASCO Capston, al ingresar al sistema lo recibirá la ventana de bienvenida siguiente



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Fig. 6.3. Ventana de bienvenida del PASCO Capston

Haga clic sobre el icono text and graph (texto y grafico) seguidamente ingresará los siguientes datos.

Fig. 6.4. Selección de Texto y Grafica.

Ahora tomemos como ejemplo el movimiento en una dimensión con aceleración constante.

TABLA 6.3

Tiempo (s) Posición (m)

0.00 0.85 3.75 10.50

0.25 0.85 4.00 14.05

0.50 0.50 4.25 12.25



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0.75 1.85 4.50 15.10

1.00 1.60 4.75 16.30

1.25 3.55 5.00 17.65

1.50 2.05 5.25 19.95

1.75 5.30 5.50 20.20

2.00 4.65 5.75 22.40

2.25 5.10 6.00 22.56

2.50 6.49 6.25 25.35

2.75 5.80 6.50 24.90

3.00 9.04 6.75 28.85

3.25 9.25

3.50 10.71



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Fig.6.6. Gráfica de los datos con aproximación cuadrática de la TABLA 5.2 en PASCO Capston.

1.2 APLICACIÓN. DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE CALOR

Haga el montaje de la figura 6.1.



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Fig. 6.7 Montaje experimental.



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Ingrese al programa Data Studio, haga clic sobre el icono crear experimento y seguidamente reconocerá el sensor de temperatura previamente insertado a la interface USB Link.

Fig. 6.8 Selección Crear experimento.



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Fig. 6.9 Sensor de temperatura USB Link.

Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble clic sobre el icono CONFIGURACIÓN y lo configuramos para que registre un periodo de muestreo de 1 Hz en ºC.



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Fig. 6.10 Configuramos frecuencia de muestreo de 1 Hz en ºC.

Luego presione el icono del SENSOR DE TEMPERATURA luego seleccione numérico y cambie a 2 cifras después de la coma decimal, según datos proporcionados por el fabricante el sensor mide en el rango de -35 ºC a 135 ºC con un paso de 0.01 ºC.



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Fig. 6.11 Configuramos frecuencia de muestreo de 1 Hz en ºC.

Una vez calibrado el sensor arrastramos el icono Gráfico sobre el icono sensor de temperatura y seleccionamos la gráfica temperatura vs tiempo, luego hacemos el montaje de la figura 6.1.

Inicie la toma de datos encendiendo la cocina y oprimiendo el botón inicio en la barra de configuración principal de Data Studio. Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la pendiente de la gráfica.

Interrumpa las medidas a los 75 °C.

Agite el agua con el fin de crear corrientes de convección y distribuir el aumento de temperatura a todo el recipiente. Mantenga constante el flujo calorífico de la fuente.

Borre las mediciones incorrectas, no almacene datos innecesarios.

Al momento de medir la masa de agua que introducirá en el matraz cuide de no mojar la balanza.

TABLA 6.4

Masa del agua

(g)

45 Volumen del

agua (cm3)

45

Temperatura

Inicial (ºC)

22.30 Intercepto

(-)

35.9 ± 0.013

Tiempo Total 3.165 Pendiente 0.210 ± 1.2E-4



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(minutos) (-)



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Fig. 6.12 Grafica de temperatura con aproximación lineal de una masa de agua de 45 g con variación de temperatura de 35.15ºC a 75.7ºC en un tiempo de 3.1667 minutos a 1 Hz. Y medición

de agua.

Repita el procedimiento anterior cambiando la cantidad de agua en el matraz

TABLA 6.2

Masa del agua

(g)

90 Volumen del

agua (cm3)

90

Temperatura

Inicial (ºC)

23.20 Intercepto

(-)

25.2 ± 0.011

Tiempo Total

(minutos)

3.5833 Pendiente

(-)

0.235 ± 8.5E-5



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Fig. 6.8 Grafica de temperatura con aproximación lineal de una masa de agua de 90 g con variación de temperatura de 25.2ºC a 75.02ºC en un tiempo de 3.5833 minutos a 10 Hz.

1.3 CUESTIONARIO

1.3.1 Según los resultados de las tablas 4.1 y 4.2 responda:

1.3.1.1 ¿Cuál es el valor de m en unidades del Sistema Internacional (SI)?

El valor de m en el Sistema Internacional (SI) es de 0.0119m /N .

1.3.1.2 Escriba entonces la expresión final de la ecuación en unidades SI.

La expresión final de la ecuación en unidades SI es:

Deformación=0.00332+0.0119× Peso .

1.3.1.3 Al proceso de hallar resultados no medidos entre valores medidos, con la ayuda de la ecuación de la recta se le llama interpolación. Halle la deformación si le hubiésemos puesto un peso de 1.4 N.

Defor mación=0.00332+0.0119×PesoDeformación=0.00332+0.0119×1.4

Deformación=5.53112×10−5



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1.3.1.4 Al proceso de hallar resultados no medidos fuera de los valores registrados se le llama extrapolación. Halle la deformación par un peso de 5 N.

Deformación=0.00332+0.0119× PesoDeformación=0.00332+0.0119×5

Deformación=1.9754×10−4

1.3.2 Según los resultados de la tabla 4.3 responda:

1.3.2.1 ¿Qué tipo de ajuste uso? ¿Por qué?

Se uso un ajuste de tipo cuadrático, debido a que la tabla 5.3 presentaba datos de un Movimiento Rectilíneo Variado (MRV) en función a la distancia y el tiempo.

La ecuación que base del cuadro es:

d=V ot ±a t 2

2

1.3.2.2 ¿Cuál es el valor de la posición inicial? ¿Qué variable es en la ecuación?

El valor de la posición inicial es de 0.368m y corresponde a la variable C en la ecuación.

1.3.2.3 ¿Cuál es el valor de la velocidad inicial? ¿Qué variable es en la ecuación?

El valor de la velocidad inicial es de 1.37m /s y corresponde a la variable B en la ecuación.

1.3.2.4 ¿Cuál es la aceleración del móvil? ¿Qué variable es en la ecuación?

El valor de la aceleración es de 0.826m / s2 y corresponde a la variable C en la ecuación.

1.3.2.5 Del menú estadísticas obtenga los valores máximo y mínimo de la posición y la desviación estándar. Guarde su datos como Exp 1B.ds

Valor mínimo: 0.50Valor máximo: 32.50Desviación estándar: 9.79

1.3.3 Según la aplicación y resultados de la tabla 5.1 y 5.2 responda:

1.3.3.1 Calcule el flujo de calor para ambas cantidades de agua. (Escriba los cálculos)

TABLA 6.1



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Para 45g de agua Para 90g de agua

Qo=T f−T ot

×m×c

Qo=75.70−35.15190.002

×45×1

Qo=9.5565cal / s

Qo=T f−T ot

×m×c

Qo=75.02−25.20214,998

×90×1

Qo=20.8551cal /s

1.3.3.2 Calcule el calor absorbido por el agua. (Escriba los cálculos)

TABLA 6.2

Para 45g de agua Para 90g de agua

Q=m×c×∆TQ=45×1× (75.70−35.15 )Q=1828.805 cal

Q=m×c×∆TQ=90×1× (75.02−25.20 )

Qo=4483.800cal

1.3.3.3 ¿Qué relación existe entre las pendientes de las diferentes graficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos?

TABLA 6.3

Relación entre pendientes (m)

Relación entre cantidad de calor absorbido (Q)

m45m90

=0.2100.235

m45m90

=10001119

Q45Q90

=1828.8054483.800

Q45Q90

= 500012259

1.3.3.4 ¿Qué le sucedería a las gráficas si el agua es cambiada por volúmenes iguales de un líquido de mayor calor especifico?, explique su respuesta.

Lo que sucedería a las gráficas si el agua es cambiada por volúmenes iguales de un líquido de mayo calor específico es:

La pendiente de las graficas variara debido a que la variación de temperatura no será la misma haciendo que tome más tiempo e inclinándola más hacia el eje x, en el caso de la práctica, el tiempo.

El tiempo que tome para llegar a la temperatura indicada aumentara debido a que se necesitara más energía para elevar la temperatura del líquido nuevo.



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El intercepto en las graficas variara debido a que la pendiente también variara en la grafica.

1.3.3.5 ¿Cuál es la razón de no llegar hasta los 100 °C en esta experiencia?

La razón por la cual no se llega hasta los 100 ºC es debido la presión atmosférica de Arequipa no lo permite.

1.4 PROBLEMAS

En 19742, el astrónomo sueco Anders Celsius propuso una escala de temperatura en la cual el agua hierve a 0.00 grados y se congela a 100. En 1745, después de la muerte de Celsius, Carolus Linnaeus (otro científico sueco) invirtió estos estándares, produciendo la escala que es la más comúnmente usada en la actualidad. Encuentre la temperatura ambiente (77.0ºF) en la escala de temperatura original Celsius.

¿Hay una temperatura que tenga el mismo valor numérico en las escalas Kelvin y Farenheit? Justifique la respuesta



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2. OBSERVACIONES

2.1 Es de suma importancia haber adquirido conocimientos teóricos previos al laboratorio de Física para poder realizarlo de manera correcta. Esto se debe a que los necesitaremos para el análisis y entendimiento de las experiencias realizadas en el mismo.

2.2 El uso de implementos de seguridad es obligatorio debido a que estos reducen la probabilidad de accidentes que puedan afectar la integridad de los usuarios, en este caso, los estudiantes.

2.3 Antes de iniciar las mediciones, se debe de haber realizado la correcta programación del programa a usarse, en este caso, Data Studio. Ya que las necesidades para cada laboratorio cambiaran y en caso no se realice la previa configuración del mismo, habrá una toma de datos errónea, la cual afectara la toma de decisiones y los resultados buscados.

2.4 La toma de medidas para hacer los cálculos de flujo de calor y transferencia de calor deben tener una fuente de calor constante y una masa constante ya que de estas constantes depende el cálculo a realizarse. Además esto nos permitirá tener mediciones correctas.

2.5 Al empezar la medición tenemos que tener en cuenta el no causar ningún movimiento brusco al sensor de temperatura, ya que esto podría afectar la medición y por consiguiente la gráfica no sería correcta, produciéndose así una pérdida de tiempo considerable.

2.6 Al hacer uso de los equipos para la realización del laboratorio se debe tener sumo cuidado con los mismos, ya que son frágiles y podrían causar daño al usuario y a la infraestructura de ambiente.

3. CONCLUSIONES

3.1 Al finalizar la experiencia se logró aprender el uso del software Data Studio y PASCO Caspston, el cual será usado para futuras experiencias.

3.2 Se aprendió a realizar los procesos de configuración, creación y edición de experiencias en Física utilizando la PC con el programa Data Studio, PASCO Capston y los sensores. En el caso de este laboratorio se usaron estas herramientas para mediciones de temperatura.

3.3 Se aprendió a interpretar los resultados obtenidos por el software de laboratorio y comprarlos con los datos obtenidos mediante los modelos matemáticos dados en clase; obteniendo así la diferencia de los dos métodos.

3.4 Las relaciones matemáticas entre las variables físicas que interviene en un experimento son de suma importancia para un correcto entendimiento de los procesos físicos.

3.5 El calor absorbido por una sustancia depende de su masa y calor especifico. Además se sabe que las variaciones de temperatura y el tiempo al cual la sustancia es expuesta al calor afectan directamente la cantidad de calor absorbido por la misma.



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3.6 La cantidad de calor absorbido por un fluido depende directamente de su masa. Esto se debe a que si se incrementa la masa, se necesitara mayor cantidad de calor y será necesario un flujo de calor mayor para elevar la temperatura del fluido.

4. BIBLIOGRAFÍA

TECSUP. (2014). Guía del laboratorio de Física I (1ra ed.) Arequipa: TECSUP.

Serway, R. (1991). Fisica I(4ta ed.) Mexico: Mc. Graw-Hill.

Escalera, V. (2011). Programa de destrezas de información. Preparación de bibliografías según manual de estilo de la American Psychological Association (APA) 6ª ed., 1(1), 3-10. Recuperado de http://cmpr.edu/docs/biblio/apa.pdf.

Informe de Ondas y Calor Elaborado

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