lab fa 5

EXPERIMENTO FA5

LABORATORIO DE FÍSICA AMBIENTAL

"DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA LEY DE ENFRIAMIENTO DE
NEWTON"

MATERIAL:

1 (1) PLACA CALEFACTORA CON TERMOSTATO.
2 (2) TERMOPARES TIPO "K".
3 (1) TERMÓMETRO DIGITAL. ESCALA (-40,260ºC) (∆ T= 0.1ºC)
4 (1) CRONOMETRO DIGITAL, ESCALA (0,60'). (∆ τ = 0.01s.)
5 (1) MUESTRA (BLOQUE METÁLICO CILÍNDRICO)

OBSERVACIONES:

ANTES DE COMENZAR LAEXPERIENCIA COMPROBAD QUE TODO EL MATERIAL QUE
APARECE EN LA PRESENTE RELACIÓN, SE ENCUENTRA EN LA MESA DE TRABAJO. AL FINALIZAR
DEJAR EL PUESTO ORDENADO Y LIMPIO VOLVIENDO A COMPROBAR QUE TODO EL MATERIAL
ESTA EN SU LUGAR Y LISTO PARA SER UTILIZADO DE NUEVO.
AL FINALIZAR LA EXPERIENCIA DESCONECTAD TODOS LOS APARATOS.
CUANDO LA TEMPERATURA DE LA MUESTRA ALCANCE 150º C, DESCONECTA EL
CALEFACTOR DEINMEDIATO.

M.Ramos

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EXPERIMENTO FA5

LABORATORIO DE FÍSICA AMBIENTAL

"DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA LEY DE ENFRIAMIENTO DE
NEWTON"

I.- Introducción al experimento:

Cuando existe una diferencia de temperatura entre un cuerpo y el medio ambiente que le rodea,
la evolución espontánea, que se manifiesta, se produce en el sentido de igualar las temperaturas hasta
alcanzar elequilibrio térmico.
En el caso en el que un sistema (el medio ambiente) sea lo suficientemente grande, de tal forma
que pueda absorber cualquier cantidad de energía de cuerpos en contacto con él sin alterar sus
parámetros termodinámicos, en ese caso a ese sistema se le denomina foco térmico.
La situación que se presenta en la experiencia será la de un cuerpo a temperatura elevada en
contacto con un focotérmico, que será el aire de la habitación que rodea al sistema.
Como hemos dicho, es un dato experimental que la evolución se realizará en el sentido de una
transferencia de energía entre el cuerpo y el foco térmico (aire del laboratorio).
La energía intercambiada en este proceso se efectúa en forma de calor. Apareciendo los tres
mecanismos de intercambio (que conviene consultar en labibliografía recomendada antes de continuar)
conducción, convección y radiación. La descripción detallada de cada uno de estos procesos en una
experiencia como la que vas a realizar sería tremendamente complicada, no pudiendo, con toda
seguridad, resolver analíticamente el problema.
Sin embargo, comprobaremos experimentalmente que existen leyes empíricas de singular
simplicidad en el estudio del enfriamientode los cuerpos. Una de ellas es desarrollada por Newton y
lleva su nombre. También, debemos tener en cuenta que estas leyes empíricas tienen un rango de
aplicabilidad, que generalmente se descubre en la misma experimentación.
Vamos a dar unas bases breves de lo que es la ley de Newton, aunque recomendamos en este
punto consultar nuevamente la bibliografía indicada.
La cantidad de calor Q perdidapor la superficie de un cuerpo, S, en un tiempo,τ , se expresa de
la siguiente manera.

Q = PS τ

(1)

Donde el coeficiente, P, es la cantidad de calor perdida por la unidad de área en la unidad de
tiempo.

M.Ramos

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La ley de "Newton" expresa que, P, es proporcional a la diferencia entre la temperatura del
cuerpo, T, y del medio ambiente θ :

P = h (T- θ )

(2)

Siendo hconstante, coeficiente de película.
h, mide la cantidad de energía perdida por unidad de área y unidad de tiempo cuando la diferencia de

temperatura entre el cuerpo y el medio exterior es de 1ºC. Este coeficiente reúne la información global
de los mecanismos de intercambio existentes.

La cantidad infinitesimal de calor perdido en un elemento infinitesimal
de tiempo será:

δQ = h ( T − θ ) Sd τ

(3)Si el único proceso que se produce en el cuerpo es de variación de su energía interna.

δQ = dU = −mc pdT

(4)

Identificamos ambos términos en una igualdad:

h( T − θ ) Sd τ = −mc p dT

(5)

Por tanto, la velocidad de enfriamiento del cuerpo vendrá dada por la siguiente expresión:

dT
hS
=−
(T − θ )
dτ
mc p

(6)

Integrando esta expresión podemos obtener la información que nos expresa la...