Laboratorio de transferencia de calor

Publicado el 8 septiembre, 2020

Introducción

Pregunta de investigación: ¿Qué material es el mejor conductor térmico?
Años: Secundaria y superior
Preocupaciones de seguridad:Este experimento usa una estufa para calentar agua. Use agarraderas y pida ayuda a un adulto.
Hora: 4 horas
Variable independiente: Tipo de metal
Variable dependiente: Tiempo para alcanzar el equilibrio térmico
Variables de control: cantidad de agua, tipo de recipiente, tipo de termómetro

Mientras estudias, pones tu taza de café en el escritorio y comienzas tu problema, pero luego te olvidas del café. Cuando regresa, su café sabe frío. ¿Que pasó? A todo en el mundo le gusta estar en equilibrio o en equilibrio . Como su café tenía más calor que el ambiente, el calor pasó del café a la habitación y su café se enfrió. El proceso de movimiento de calor se llama transferencia de calor . Para obtener más información sobre la transferencia de calor, puede consultar esta lección: Mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación

Algunos materiales permiten que el calor se transfiera mejor que otros. Por ejemplo, la espuma de poliestireno en la que a veces viene el café es un gran aislante térmico , lo que significa que no transfiere el calor fácilmente. Otros materiales son conductores térmicos , que transfieren calor fácilmente. Hoy, probaremos qué material puede transferir calor de una taza de agua tibia a una taza de agua fría de manera más efectiva.

Materiales

  • Dos tazas de café de espuma de poliestireno de 8 onzas con tapa
  • Hervidor para hervir agua
  • Guantes de cocina
  • Dos termómetros digitales
  • 16 onzas de agua
  • tijeras
  • 6 ” de alambre de cobre grueso
  • 6 ” de alambre de acero grueso
  • 6 ” de alambre de latón grueso
  • Tabla de datos para cada metal:
HoraTemperatura de la Copa 1 (fría)Temperatura de la taza 2 (caliente)

Pasos

  1. Corta un agujero adicional en el centro de cada tapa con las tijeras.
  2. Luego, llene una taza con 6 onzas de agua fría del grifo.
  3. Coloque la tapa encima de la taza. Deslice el termómetro por el orificio que acaba de cortar. El agujero por el que normalmente bebe sujetará el cable más tarde.
  4. Hierva 6 onzas de agua en la estufa y viértala en la segunda taza.
  5. Coloque la tapa en esa taza y deslice el termómetro como lo hizo con la primera taza.
  6. Ahora, registre la temperatura de ambas tazas en su tabla de datos en el tiempo 0.
  7. Doble el alambre de cobre para que quede en el agua de ambas tazas.
  8. Comienza a registrar la temperatura de ambas tazas cada minuto hasta que alcancen la misma temperatura.

Configuración del experimento
preparar

9. Repita los pasos 2-8 para cada tipo de cable.

Solución de problemas

Lograr el equilibrio térmico, donde las tazas están a la misma temperatura, puede llevar un tiempo. Sea paciente y siga grabando. Asegúrese de que las tapas estén bien selladas para mantener el calor adentro, de modo que el calor solo se pueda transferir a través de los cables.

Preguntas de discusión

¿Qué tipo de alambre permitió que las copas alcanzaran el equilibrio térmico más rápido?

¿Qué crees que hace un buen conductor térmico?

Cómo funciona

El calor se conduce a través de los metales mediante vibraciones de pequeñas partículas llamadas electrones . Los electrones se mueven a través del metal, transfiriendo calor a medida que avanzan. Si los electrones pueden chocar fácilmente entre sí con poca interferencia, el calor se transfiere rápidamente y el metal será un buen conductor. Piense en ello como bolas de billar en una mesa de billar. Si solo hay bolas en la mesa blanda, cuando una bola golpea a otra, la energía se transfiere fácilmente y la segunda bola también se desliza por la mesa, como sucede en un buen conductor térmico.

Como probablemente vio, el cobre es uno de los mejores conductores térmicos, con un valor de conductividad térmica de 385 Watts / metro Kelvin (W / mK). En el cobre sólido, los átomos están dispuestos en una estructura reticular que crea un camino suave para que fluyan los electrones. Además, el cobre solo tiene un electrón en la capa más externa del átomo, lo que permite que el electrón escape fácilmente, conduciendo el calor a medida que avanza.


La estructura de los átomos de cobre hace que el cobre sea un buen conductor
cobre

Si desea saber más sobre los electrones, consulte este artículo Electrones de valencia: definición, configuración y ejemplo

Sin embargo, el acero es una aleación , un metal formado por diferentes elementos fusionados. El acero está hecho de hierro mezclado con otros elementos, como el carbono. Aunque el hierro puede formar una red conductora como el cobre, los otros elementos se interponen en el camino de los electrones, impidiendo que transfieran calor de manera eficiente y dando al acero una baja conductividad térmica de 50W / mK.

El latón es un mejor conductor que el acero, con un valor de conductividad térmica de 109W / mK. Sin embargo, el latón también es una aleación de cobre y zinc. El cobre es un gran conductor, pero el zinc interfiere con el camino de los electrones, lo que dificulta la transferencia de calor.

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