Informe de laboratorio de ondas y calor

Alumnos:Apellidos y NombresNota

Profesor:J. Muoz

Programa Profesional:Mantenimiento de maquinaria de plantaGrupo:A

Fecha de Entrega:26032014Mesa de trabajo:5

CURSO: ONDAS Y CALORCDIGO: GG1010LABORATORIO N 2

Contenido1.Introduccin32.OBJETIVOS33.Anlisis de trabajo seguro44.FUNDAMENTO TERICO55.Materiales y equipos de trabajo86.Procedimientos, resultados y cuestionario117.Observaciones178.Conclusiones179.Bibliografa18

1. IntroduccinEste laboratorio busca dar a conocer las leyes de la fsica de una forma prctica, por tanto es necesario contar con los saberes necesarios que provee la teora. En esta ocasin se hizo la observacin y experimentacin con muestras de agua sometidas a cambio de calor. Un tema de suma importancia para el desarrollo de un laboratorio de fsica es el uso de software especializado, en este caso se us el PASCO Capston que junto con un sensor de temperatura unido a un interface USB, monitoreaban el cambio de temperatura de las muestras en estudio. Estos datos a su vez fueron tabulados y graficados a fin de obtener una frmula de una recta que se obtuvo haciendo un proceso llamado regresin lineal, que la computadora hace por defecto.

Un paso importante para la realizacin de esta experiencia es realizar el ATS (Anlisis de Trabajo Seguro) con el cual se enumeran las tareas que se van a llevar a cabo y que represente un riesgo para la seguridad del equipo. Por cada riesgo se debe plantear una medida de control de riesgo ya sea para eliminar el peligro, sustituirlo o mitigarlo. La observacin de la experiencia debe ser interpretada por el equipo en conjunto para finalmente poder generar conclusiones.

2. OBJETIVOS1) Familiarizarse con el software a utilizar durante las sesiones de laboratorio.2) Comprender y aplicar los procesos de configuracin, creacin y edicin de experiencias en fsica utilizando la PC y los sensores. 3) Verificar los resultados de anlisis proporcionados por el software, con los modelos matemticos dados en clase y establecer las diferencias. 4) Determinar relaciones matemticas entre variables fsicas que interviene en un experimento.5) Estudiar la cantidad de calor que absorbe un lquido dependiendo de las variaciones de la temperatura durante un intervalo de tiempo.6) Realizar un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbido por un lquido en funcin de su masa.

Informe de laboratorio de ondas y calor2014

1.

4

3. Anlisis de trabajo seguroANLISIS DE TRABAJO SEGURO (ATS)Fecha190314

Tarea:Anlisis grfico cantidad de calorDa Mes Ao

DocenteJ. MuozFirmaAmbiente A8Equipo de trabajo 5

Prctica N1

AlumnosAlumnos

Caractersticas de equipos y herramientas:Lentes: usados para evitar la entrada de objetos, agua o qumicos en los ojos. Elaborado en policarbonato.Zapatos: hechos en cuero para evitar daos con productos qumicos y con la punta reforzada para evitar golpes.

N PASOS BSICOS DEL TRABAJODAO (RIESGO EXISTENTE) CONTROL DEL RIESGO

1

Encender equipos elctricos y electrnicosElectrocucin, incendios por corto circuitoAlejar el agua de tomacorrientes, revisar cables y equipos antes de utilizarlos

2Recepcin de materiales y herramientasGolpe por cada de material o instrumentos Utilizar zapatos de seguridad. Cargar la cantidad necesaria de elementos. Cargar la cantidad adecuada

3Montaje de estructuraGolpe por cadaUso de zapatos de seguridad

4Encender la fuente de calorQuemaduras Uso de guantes de seguridad

5Colocar matraz en la fuente de calorQuemaduras por derrame de aguaUso de instrumentos adecuadosUso de guantesTrabajo a distancia prudencial

6Apagar la fuente de calorQuemaduras por contacto con hornillaTomar al fuente por la baseColocar en un lugar seguro para que enfre.

4. FUNDAMENTO TERICO

4.1. GRFICOS

Son una de las principales maneras de representar y analizar datos en ciencia y tecnologa. Deben ser claros y contener un ttulo, ejes, escalas, unidades y barra de error.

4.1.1. Eleccin de variables

Una variable es aquella cantidad a la que puede asignrsele durante el proceso un nmero ilimitado de valores. Generalmente la variable que podemos controlar o variar la ponemos en el eje x (variable independiente). La segunda variable depende de los valores que tomen las variables independientes y se representan en el eje y (variable dependiente).Por ejemplo en las grficas de movimiento representamos posicin, velocidad y aceleracin vs el tiempo y ponemos siempre a la variable tiempo en el eje x ya que la podemos controlar durante el experimento.El estndar de oro en el campo de las grficas es la lnea recta ya que es la nica curva que podemos reconocer sin problemas, por eso es recomendable escoger las variables a graficar de tal forma que el grfico sea una recta.

4.1.2. Eleccin de las escalas

Consiste en determinar cuntas unidades de distancia, tiempo, etc van a corresponder a cada cuadradito de papel milimetrado. Escoja un tamao adecuado para el grfico donde la relacin de aspecto (alto/ancho) debe ser menor que 1 pues ser de ms fcil lectura.La inclusin del origen de coordenadas depende de la informacin que deseamos obtener. Aunque queremos que el grfico sea lo ms grande posible, tambin debe ser fcil de interpretar para cual es preferible que cada cuadradito de papel milimetrado corresponda a un nmero de unidades de fcil subdivisin.

4.1.3. Identificacin de los datos del grfico

En cada eje es preciso identificar la variable representada por su nombre o smbolo y entre parntesis las unidades usadas. Por ejemplo si el grfico es de velocidad vs tiempo, lo mejor es que sobre el eje y figure la velocidad (m/s) y sobre el eje x, tiempo(s).El ttulo debe tener informacin necesaria para que cualquier lector entienda la figura. Todas las figuras (esquemas, diseos, grficos) deben ser numeradas en secuencia. Para marcar datos en el papel usar smbolos de tamao visible.

4.2. Ajuste de curvas

Consiste en determinar la relacin matemtica que mejor se aproxime a los resultados del fenmeno medido. Para realizar el ajuste elegimos la funcin a la que ms se aproxime los puntos graficados.Grafico formulas

Donde X y Y representan variables, mientras que a, b, c, A y B son constantes a determinar. Una vez elegida la funcin se determina las constantes de manera que particularicen la curva del fenmeno observado.

4.2.1 Mtodo graficoEn muchas situaciones la relacin de dos cantidades fsicas es una relacin lineal. En estos casos se dice que la variable es dependiente es proporcional a la variable independiente con una constante de proporcionalidad dada.Para usar este mtodo primero se debe graficar los puntos experimentales y verificar si la relacin entre las dos variables es aparentemente lineal. El segundo paso es dibujarla mejor recta, o sea la que pase cerca de casi todos los puntos graficados. Luego para determinar b se ubica el punto de interseccin con el eje Y.Para determinar m (pendiente) usamos:

Con lo que obtendremos un valor de m por cada dos pares de puntos, el valor m final ser el promedio simple de todos esos valores encontrados.

4.2.2 Mtodo de mnimos cuadrados Se utiliza cuando la nube de puntos sugiere una relacin lineal entre X y Y Y = mx+bLo que es determinar los valores para la pendiente m y la constante b, en una lnea de ajuste.Los valores de m y b se hallan por medio de las expresiones:

4.3 Cantidad de calorCuando a una sustancia se le aade energa sin hacer trabajo usualmente suele aumentar su temperatura. La energa necesaria para incrementar la temperatura de una masa de una sustancia vara de una a otra. Se puede incrementar la temperatura de sistema al realizar un trabajo sobre el mismo.

La capacidad calorfica C de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de energa necesaria para aumentar la temperatura de esa muestra en 1C. Q = C T

El calor especfico c de una sustancia es la capacidad calorfica por unidad de masa. Si la energa Q transferida por calor a una masa m de una sustancia cambia la temperatura de la muestra en T. Si el sistema tiene una temperatura inicial T0 incrementa o disminuye su temperatura a un valor T, la cantidad de calor Q que gana o pierde el sistema est dado por: Q = m c (T-T0) Si la cantidad de calor es suministrada en forma constante a medida que transcurre el tiempo, el flujo calorfico Q ser pues constante. Por definicin del flujo calorfico tenemos:

Estableciendo una dependencia de la temperatura con el tiempo se puede escribir:

5. Materiales y equipos de trabajo

5.1. Computadora con programa Pasco Capston instalado.

5.2. Interface.

5.3. Calculadora.

5.4. Sensor de temperatura.

5.5. Balanza.

5.6. Matraz.

5.7. Pinza universal.

5.8. Nuez doble (3).

5.9. Bases (2).

5.10. Fuente de calor y agitador

6. Procedimientos, resultados y cuestionario

6.1. Mtodo de mnimos cuadradosClculo ManualAplicando la relacin entre deformacin y fuerza medimos la deformacin producida por el peso de 5 masas diferentes a partir de la posicin de equilibrio x=0 de un resorte, obteniendo los siguientes resultados.Peso (N)Deformacin (mm)

0.39

1.215

1.624

2.227

3.749

Tabla 1: valores Peso y deformacin Usando el mtodo de los mnimos cuadrados, hallamos los valores m y bxiyixi yixi2

0.392.70.09

1.215181.44

1.62438.42.56

2.22759.44.84

2.749181.313.69

xi=9yi=124xi yi=299.8xi2=22.62

Tabla 2: datos para el clculo por mnimos cuadrados

Calculo con softwareSe utiliza el software llamado PASCO Capstone, se abre una nueva ventana y se hace una nueva tarea, hacer clic sobre el icono de tabla y grfico, registrar las variables e ingresar los datos en la tabla correspondiente. El software grafica punto por punto y calcula la pendiente y la ordenada en el origen automticamente, tal como se muestra en la figura.

6.2. Uso del CapstoneAhora tomamos como ejemplo el movimiento en una dimensin con aceleracin constante.Tiempo (s)Posicin (m)Tiempo (s)Posicin (m)

0,000,853,7510,50

0,250,854,0014,05

0,500,504,2512,25

0,751,854,5015,10

1,001,604,7516,30

1,253,555,0017,65

1,502,055,2519,95

1,755,305,5020,20

2,004,655,7522,40

2,255,106,0022,56

2,506,496,2525,35

2,755,806,5024,90

3,009,046,7528,85

3,259,257,0030,22

3,5010,717,2532,50

Tabla 3: datos de tiempo y posicin

Se ingresaron los datos igual que la primera experiencia, pero en este caso se utiliz la regresin cuadrtica, obtenindose tres valores: A, B y C, los cuales son los coeficientes de la ecuacin cuadrtica que describe la curva formada por los datos ingresados.ABC

0.4131.370.368

Gracias a esta regresin obtenemos una ecuacin:

Donde y representa la Posicin (m) y x representa el tiempo (s)

6.3. Aplicacin, determinacin de la cantidad de calor6.4. Procedimiento. Se hizo procedimiento para las dos experiencias, variando solo la masa del agua de 45 a 90 g.

1) Se hizo el montaje de una estructura de soporte que tena como funcin sujetar el sensor de temperatura que estaba unido a una interface y que finalmente deba ser conectado a una computadora2) Ingresar al programa Data Studio, haciendo clic en el icono crear experimento y seguidamente reconocer el sensor de temperatura insertado a la interface 850 universal o USB Link. 3) Se procedi a configurar el sensor haciendo clic en el icono configuracin para que registre un periodo de muestreo de 1Hz en C.4) Se presion el icono del sensor de temperatura y seleccionar numrico cambiando a 2 cifras despus de la coma decimal.5) Una vez calibrado arrastramos el icono Grfico sobre el cono sensor de temperatura y seleccionamos la grfica Temperatura vs Tiempo.6) Se coloc el agua en un vaso de precipitado y se tom peso del agua en una balanza.7) Se coloc el agua sobre la fuente de calor.8) Encendimos la fuente calor y en la computadora oprimimos el botn inicio. Se tom la temperatura inicial.9) Se interrumpi el calentamiento a los 75C y se tom el tiempo.

6.5. ResultadosResultado con 45 g de aguaMasa del agua (g)45Volumen del agua (cm3)45

Temperatura inicial (C)22.6Intercepto (C)16.7

Tiempo total (min)18.59Pendiente (C/s)0.0465

Tabla 4: resultados de calentamiento de 45 g de agua

Resultado con 90 g de aguaMasa del agua (g)90Volumen del agua (cm3)90

Temperatura inicial (C)40.5Intercepto (C)43.2

Tiempo total (min)3.37Pendiente (C/s)0.153

Tabla 5: resultados de calentamiento de 90 g de agua

6.6. CuestionarioSegn los resultados de las tablas 1 y 2 responda:1) Cul es el valor de m en unidades del sistema internacional

2) Escriba entonces la expresin final de la ecuacin en unidades SI

3) Al proceso de hallar resultados no medidos entre valores medidos, con la ayuda de la ecuacin de la recta se le llama interpolacin. Halle la deformacin si se le hubisemos puesto un peso de 1.4 N

4) Al proceso de hallar resultados no medidos fuera de los valores registrados, se le llama extrapolacin, halle la deformacin para un peso de 5N

Segn los resultados de la tabla 3 responda1) Qu tipo de ajuste us? Por qu?

2) cul es el valor de la posicin inicial? qu variable es en la ecuacin?

3) Cul es el valor de la velocidad inicial? qu variable es en la ecuacin?

4) Cul es la aceleracin del mvil? Qu variable es en la ecuacin?

5) Del men de estadsticas, obtenga los valores mximo y minimo de la posicin y la desviacin estndar

Segn la aplicacin y los resultados de las tablas 4 y 5:1) Calcule el flujo de calor para ambas cantidades de agua

2) Calcule el flujo de calor absorbido por el agua

3) Qu relacin existe entre las pendientes de las diferentes grficas y la cantidad absorbida para los diferentes casos?

4) Qu le sucedera a las grficas si el agua es cambiada por volmenes iguales de un lquido de mayor calor especfico?

5) Cul es la razn de no llegar hasta los 100C en esta experiencia.

7. Observaciones Durante la primera prueba de calentamiento de agua con 45 g del lquido, hubo una deficiencia en la fuente de calor, cuyos botones y controles no funcionaban adecuadamente y el tiempo de calentamiento se extendi debido a que el calor emitido por la fuente era mnimo. Como se muestra en las tablas 4 y 5, las pendientes que tericamente deberan ser semejantes, no presentan similitud. Durante la primera experiencia de calentamiento con 45 g se utiliz un matraz de 50 mL que fue insuficiente para la segunda experiencia y fue cambiada por un vaso de precipitado de mayor capacidad. En la segunda experiencia de calentamiento de agua, se utiliz agua a 45 C debido a que otros grupos arrojaron el agua caliente en el agua a temperatura de ambiente.8. Conclusiones La relacin que existe entre el peso (N) y la deformacin (mm) es directamente proporcional y tiene tendencia lineal. La relacin existente entre tiempo (s) y posicin (m) directamente proporcional y cuadrtica. La relacin existente entre el tiempo (s) y la temperatura (T) es directamente proporcional lineal. A mayor cantidad de agua, mayor es el tiempo de calentamiento.

9. Bibliografa

Crowe, C. (2002). Introduccin al anlisis de regresin lineal. Mxico D.F.: Compaa Editorial Continental.Lobo, R., Castro, D., & Miranda, J. (2003). Manual de laboratorio de fsica calor ondas. Bogot: Universidad del Norte.Serway, R., & Jewett, J. (2005 ). Fsica para ciencias e ingeniera. Mexico D.F.: McGraw-Hill.