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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA


 Estudio de un Fenómeno de Transferencia de Calor

              INTRODUCCIÓN

              Uno de los fenómenos más comunes en el universo es la difusión que por definición es el flujo de materia o energía de una zona con mayor concentración  a una con menor concentración.

Al estudiar la difusión, resulta necesario hablar de esa relación intima entre la energía y la materia, por lo tanto de la propiedades termofísicas. Las principales propiedades termofísicas son la conductividad térmica, la capacidad calorífica, la densidad y la viscosidad. El valor de las propiedades termofísicas es importante para el funcionamiento óptimo de procesos en los que existe intercambio de energía térmica. Estos valores permiten diseñar mejores sistemas y simular con mejor confiabilidad procesos y sistemas térmicos y permiten usar eficientemente la energía.

La conducción de calor  es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura o estado de excitación térmica.

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que dice cuan fácil es la conducción de calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. La conductividad térmica es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

El coeficiente de conductividad térmica (λ) expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras plano paralelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. La conductividad térmica se expresa en unidades de W/m·K (J/s · m · °C).

La conductividad térmica también puede expresarse en unidades de BTU (British thermal units) por hora por pie por grado Fahrenheit (Btu/h·ft·°F). Estas unidades pueden transformarse a W/m·K empleando el siguiente factor de conversión: 1 BTU/h·ft·°F = 1,731 W/m·K.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poco área de contacto.

OBJETIVO 

El objetivo principal que se pretende lograr en éste experimento es que el alumno determine el coeficiente de conductividad térmica de diversos materiales.

Para ello se introducirá al alumno en el manejo del método científico experimental, determinando para ello las etapas del mismo,  y por tanto dando inicio a la aplicación de dicho método, propiciando así la elaboración de pequeños proyectos experimentales. 

 JUSTIFICACIÓN 

Este proyecto experimental tiene como finalidad que el alumno aplique los conocimientos adquiridos en la parte teórica del curso, en lo referente a las etapas del método científico. Particularmente en la etapa de la observación. Para lo cual se induce al alumno a realizar mediciones  que le permitan apreciar o distinguir cambios significativos en un proceso físico. Así mismo estudiar el concepto de calor dando inicio al estudio de algunos tópicos de interés para  fenómenos de transporte.

                PROYECTO EXPERIMENTAL

               Observación del efecto del cambio de la concentración de una solución, y/o del efecto del cambio de la superficie de una membrana en el fenómeno de la ósmosis.

DISEÑO EXPERIMENTAL

MATERIALES                                                  REACTIVOS

Un vaso de precipitados  300 mL.

Agua destilada

Una probeta de 250 mL

Solución 0.1 M de glucosa.

Una cinta métrica.

Solución 0.3 M de glucosa.

Una balanza analítica. 

Solución 0.5 M de glucosa.

Huevos

Solución al 15% de ácido acético.

METODOLOGÍA: Para la observación del efecto del  CAMBIO  en  la  CONCENTRACIÓN de una solución en el fenómeno de la ósmosis.

El material debe estar limpio y seco.

Actividades a desarrollar por el alumno: Preparar una solución al 15 % de ácido acético.

Tomar las mediciones de la circunferencia longitudinal y transversal de varios huevos, así como su masa. Sumergir éstos en la solución previamente preparada y dejar reposar durante la noche  para que reaccione el carbonato del cascarón de los mismos.

Al día siguiente enjuagar perfectamente los huevos, realizar mediciones de la circunferencia (longitudinal, transversal  y masa, así como del volumen final  del fluido en el vaso.

Terminado lo anterior, se introducen los mismos huevos  en  las diferentes soluciones de glucosa.  Se dejan reposar durante toda la noche, al día siguiente se realizan las mediciones de circunferencias, masa y volumen final  del fluido en el vaso.

Se repiten las actividades anteriores para otras soluciones, si así se propone, y se determinan los datos experimentales.

Anotar en una tabla los resultados del experimento.

 

Masa del huevo

Circunferencia Longitudinal

Circunferencia Transversal

Volumen del Fluido Inicial

Volumen del Fluido Final

Ácido Acético

 

         

Glucosa en sus diferentes concentraciones

         

Agua Destilada

 

         

Otras soluciones

         

 METODOLOGÍA: Para la observación del efecto del CAMBIO  en  la  SUPERFICIE DE UNA MEMBRANA  en el fenómeno de la ósmosis.

El material debe estar limpio y seco.

Actividades a desarrollar por el alumno: Preparar una solución al 15 % de ácido acético.  Sumergir en esta solución varios huevos en diferentes vasos, cada uno con diferente nivel de la solución, de tal manera que al reaccionar el ácido acético con el carbonato de sodio de los cascarones éste genere diferentes áreas de membrana. Dejar por una noche que el ácido reaccione con el carbonato de los cascarones.

Enjuagar al día siguiente los huevos, y medir las diferentes áreas de membrana.

Por el extremo opuesto de cada  huevo realizar una perforación de manera muy cuidadosa e introducir un pequeño tubo de vidrio, procurando sellar las uniones y proceder a observar la difusión, colocando los huevos en una solución de concentración conocida.

Anotar en una tabla los resultados del experimento.

 PRECAUCIONES

Evitar que la concentración de las soluciones sean demasiado altas

1.- En caso de que esto ocurra, el alumno debe explicar que sucede en este caso y por qué.

Los experimentos no requieren de material o equipo sofisticado. Es muy importante que la reacción  del carbonato del cascarón de los huevos con el ácido acético, se lleve a cabo de manera completa para dejar completamente libre la membrana. 

REFERENCIAS 

"Referencias En construcción el contenido de esta sección está sujeto a cambios"

Bibliografía básica:

 
  1. Claude A. Ville, Biología, edición, Editorial Interamericana, México 1985.

  2. R. H. Petrucci, Química General, Fondo Educativo Interamericano, EUA, 1977.

  3. Samuel H. Maron y Carl F. Prutton, Fundamentos de Fisicoquímica, Décima edición, editorial Limusa,  México 1979.

  4. Vázquez, G. F. y Gil F. E. “Concentración de soluciones. Molaridad, normalidad y molalidad”, A. G. T. Editor, México, 1992,  pp. 39.

Bibliografía complementaria:

 
  1. Crank J. “The mathematics of diffusion”, second edition, Oxford science publications, New York, pp 5., 2000

Web Bibliografía básica:

 
  1. La Seguridad en los Laboratorios de Prácticas, Universidad de Alcalá, 1995, Comisión de Seguridad y Salud Laboral                                                                                                        http://www2.uah.es/edejesus/seguridad.htm

 

 

 

 

 

 

 

 

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Última modificación:  19 de Abril de 2017