Universidad Csar Vallejo Ingeniera Civil

Laboratorio de Fsica

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON

Una taza de caf de enfriamiento en el mostrador, un calentamiento pastel en el horno, y un cuerpo que se

encuentra en el clima fro del otoo. . . son stos los ingredientes de una novela de misterio para leer junto a

la chimenea o un caso para que el detective ms famoso de los fenmenos naturales, Sir Isaac Newton.

Utilizamos una ecuacin diferencial lineal de primer orden formulado por Newton para predecir las

temperaturas de los objetos introducidos en los medios de comunicacin con temperaturas ambientales

conocidos.

I Observaciones

El proceso de enfriamiento/calentamiento de fierro de construccin, es un ejemplo de un proceso que

obedece Ley de enfriamiento de Newton. Esta ley afirma que la tasa de cambio en la temperatura de un

objeto es proporcional a la diferencia entre la temperatura del objeto y la temperatura del medio circundante.

Esta relacin puede ser utilizada para modelar la temperatura del fierro en enfriamiento/calentamiento con

respecto al tiempo.

II Objetivos

En esta prctica de laboratorio, analizaremos las temperaturas del experimento y verificar que se aplica la ley

de enfriamiento de Newton a los datos obtenidos. Vamos a utilizar Maple/Matlab para contrastar sus

resultados.

III Modelo Terico

Un sistema fsico en el que se producen muchos fenmenos importantes es que, cuando una primera

distribucin irregular de la temperatura hace que el calor fluya. Por supuesto, como el calor fluye de los

cambios en la distribucin de temperatura, que a su vez modifica el flujo de calor. Es decir: El calor fluye de

lugares calientes a los fros. Hay dos reglas matemticas speras que rigen la relacin entre el flujo de calor y el

cambio de temperatura:

- El flujo de calor es proporcional a las tasas espaciales de cambio en la distribucin de la temperatura.

- La tasa de tiempo de cambio de temperatura en cualquier punto es proporcional a la tasa de flujo de calor en

ese punto.

La situacin general puede ser muy complicado, y nosotros seremos mirarlo con cierto detalle ms adelante.

Pero aqu vamos a examinar una situacin simple, que cuando un objeto pequeo se est enfriando o

calentando en un gran ambiente de temperatura fija. Aqu el objeto es de reflexin ya que el calor fluye hacia

o fuera de ella desde el medio ambiente, y el flujo de calor tiene lugar a causa de una diferencia de

temperatura. Hay muchas maneras en que este caso ha terminado simplificado. Una es que cualquier objeto

real en el curso de los cambios de temperatura tendr diferentes temperaturas en diferentes lugares, pero esto

puede ser ignorado por el supuesto objeto lo suficientemente pequeo.

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Un mtodo simple para modelar el enfriamiento o calentamiento de un objeto colocado en una temperatura

ambiente constante es decir que la tasa de tiempo de cambio de temperatura es proporcional a la diferencia

entre la temperatura Am del medio circundante (la temperatura ambiente) y la temperatura T del objeto:

Esta ecuacin se llama Ley de refrigeracin y calefaccin de Newton. En este modelo de Newton supone que

la transferencia de calor entre el objeto y el medio ambiente circundante no es suficiente para afectar

notablemente la temperatura ambiente. Por lo tanto, la ecuacin anterior dice lo siguiente:

"El cambio de temperatura con respecto al tiempo es proporcional a la diferencia entre la temperatura del

objeto y la temperatura de su entorno."

donde Am=Temperatura del medio ambiente, T0 = Temperatura en el tiempo Inicial y k es una constante de

proporcionalidad que depende del cuerpo, el medio y la masa del mismo.

Esto dice que la diferencia entre la temperatura del objeto y el objeto que rodea disminuye a un ritmo

exponencial.

IV Equipo y Materiales

a.- Un Termmetro digital o de bulbo.

b.- Una Cocina elctrica o mechero de bunsen.

c.- Un cronmetro.

d.- Un vaso de vidrio pirex.

e.- agua.

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V Procedimiento Experimental

1.- Tomar la temperatura del medio ambiente en equilibrio trmico. (Am)

2.- Verter agua caliente en un vaso de tecnopor (aproximadamente 100C).

3.- Introducir el termmetro con mucho cuidado en el vaso con agua caliente en un instante determinado.

Como se muestra en la siguiente figura:

4.- Mida la temperatura inicial del fluido. (T0).

5.- Rellene la Tabla N 01 (Temperatura (C) Vs Tiempo(s)).

N de datos

Tiempo (s) Temperatura (C)

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Criterio: Aqu Ud. Deber colocar tiempos iguales para la Tabla N 01 y luego tiempo diferentes para otra

Tabla N 02.

6.- Repita el mismo procedimiento (1-5) con agua ms hielo hasta que llegue al equilibrio trmico.

Generndose la Tabla N 03 y Tabla N 04 con el mismo criterio de la tabla anterior.

VI Anlisis de Datos

A.- Graficar los datos de Temperatura Vs. Tiempo (Para ambos casos: tiempos iguales y tiempos diferentes).

B.- Halle el valor de k para cada caso (Tabla N 01, Tabla N 02, Tabla N 03 y Tabla N 04).

C.- Determine la temperatura del medio ambiente y la temperatura inicial del fluido usando la mejor tabla de

datos.

D.- Introduzca y extraiga el termmetro: simultneamente ponga el cronmetro en funcionamiento.

Entonces anote los valores del tiempo que transcurre para cada 4C de descenso de la temperatura hasta

alcanzar el equilibrio trmico con el ambiente del laboratorio (23 datos).

E.- Utilizando los datos del inciso D trace la grfica temperatura vs tiempo.

VII Preguntas

1.- Qu interpretacin fsica tiene el valor k.

2.- Qu tipo de modelamiento a utilizado para sus datos y por qu?.

3.- Halle la diferencia entre el valor tomado y el calculado en lo que a temperatura ambiente y del fluido se

refiere nuestro experimento. Explique.

4.- Por qu es necesario que nuestro laboratorio y fluido est en equilibrio trmico?.

5.- Cmo funciona el termmetro de mercurio y termocupla digital?.

VII Referencias

Cdigo de biblioteca

TEXTO

530-S32 SEARS Zemansky YOUNG freedman. Fsica Universitaria Volumen 1 y 2. Undcima edicin. Ed. Pearson. 2004. ISBN: 979-26-0511-3.

530-M86 MOORE Tomas A. Fisica seis ideas fundamentales. Tomo II. 2da. Edi.. Mc. Graw Hill. ISBN 970-10-4895-4