Globo ignífugo

De Física Itinerante
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Ficha del experimento
Autor(es) original(es) Jorge Riveros
Área(s) abarcadas Termodinámica
Nivel de enseñanza Rellenar
Contenido curricular abordado
Rellenar

En el siguiente experimento se pretende profundizar en una de las grandes propiedades del agua: su (alta) capacidad calorífica.

Esta propiedad nos dice qué tanto sube la temperatura de un objeto al entregarle calor, o sea, que tanta energía es necesaria darle a un objeto para aumentar su temperatura.

Tener un alto calor específico es una de las propiedades que hace que el agua cumpla con un rol tan central en la biología: es la propiedad que ayuda a los seres vivos a regular y mantener su temperatura. Por otro lado, permite a las ciudades costeras tener su clima estable y además mantener estable el clima del planeta en general.

Introducción

Los fenómenos que ocurren debido a la alta capacidad calorífica del agua es muy grande. De hecho, es fundamental en los seres biológicos dado que permite la homeostasis y además ayuda mantener la temperatura global de la Tierra.

Debemos hacer notar la diferencia entre 2 conceptos: la capacidad calorífica y el calor específico.

El calor específico se define como la cantidad de calor (energía) que hay que suministrar a una unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Por ejemplo: El calor específico del agua es . Esto significa que por cada 1gramo (g) de agua, es necesario administrar 4.18 Joules (J) para que suba su temperatura en .

Por su parte, la capacidad calorífica es la cantidad de energía que hay que suministrar a una determinada sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Puede ser entendido como el calor específico multiplicado por la masa de la sustancia. Debido a su definición, es esta la propiedad que indica la dificultad que presenta un cuerpo para cambiar su temperatura al suministrarle calor.

En nuestro experimento, haremos la diferencia entre la capacidad calorífica del aire con la del agua y, principalmente, de cómo esta es mucho mayor que la primera. Como dato, el calor específico del aire es y es aproximadamente 4 veces menor que el del aire. Este es un valor relativamente menor, por lo que no podría explicar en sí mismo la diferencia de fenómenos que ocurren en el experimento. Es por ello que el factor relevante es la diferencia en las capacidades caloríficas del aire y del agua. Consideremos que un globo común puede albergar hasta de aire. Calculando su capacidad calorífica obtenemos:

Este calculo se realizó asumiendo que el calor fue absorbido por todo el aire dentro del globo homogéneamente. Ahora, si llenamos el globo con de agua y considerando que todo el calor es absorbido solo por ésta, su capacidad calorífica es:

Puede observarse que la capacidad calorífica del agua lo supera por mas de 400 veces! (Y si llenásemos completamente el globo con agua, sería 10 veces más que esa cantidad) De esta manera, el agua absorbe el calor con un incremento de temperatura mucho menor que el del aire y ese cambio permite que el recubrimiento del globo no se caliente lo suficiente como para debilitarse y fallar. Con esto demostramos la diferencia entre la capacidad calorífica y el calor específico, además de la diferencia de valores que pueden alcanzar entre ambos y lo grande que puede llegar el valor del calor específico del agua.

Manual de Actividades

Materiales

  1. Al menos dos globos.
  2. Agua.
  3. Una fuente de combustión (fósforos, encendedor, vela, etc.)

El experimento en sí es bastante sencillo: tome uno de los globos e ínflelo. Luego acerque la fuente al globo (con el debido cuidado para no lastimarse) y observará que explota inmediatamente.

Ahora tome el segundo globo y llénelo hasta un cuarto de su capacidad máxima con agua y luego termine de inflarlo con aire. Acerque la fuente de combustión al globo por debajo y observará que no explota inmediatamente como el anterior.

Dibujo del globo con y sin agua.

Contenido Adicional

Preguntas y Respuestas

Primera Pregunta
¿Que sucede si ocupo alguna otra sustancia distinta a la del agua?

Cada sustancia tiene su propio calor específico, por lo que si se cambia agua por otro líquido el globo reventará más fácilmente si tiene una capacidad calorífica menor y se mantendrá intacto si es mayor. Como dato, el agua tiene uno de los mayores calores específicos entre los líquidos a temperatura ambiente.

Tercera Pregunta
¿El globo puede reventar eventualmente aun si tiene agua?

Sí, dado que a medida que el agua absorbe calor, va perdiendo la capacidad para llevar más hasta que llega a un punto en que la capa del globo se queda con la energía que le llega de la llama y se debilita hasta ceder.

Segunda Pregunta
¿Cómo se transfiere el calor tan rápidamente del fuego al agua?

Para responder esta pregunta debemos entender cómo el calor se transmite molecularmente en una sustancia. El agua, y como el resto de los líquidos, son sustancias cuyas moléculas están en movimiento constante, chocando unas con otras y con las paredes del recipiente que los contiene (no necesariamente es un sólido). Esto es conocido como energía cinética traslacional y es la principal forma de energía que esta presente en líquidos y gases. Los sólidos tienen moléculas que vibran en una posición fija. Ahora, nos interesa saber que ocurre en las paredes de la sustancia dado que ahí tiene lugar el contacto con otras sustancias vecinas. Un objeto que tenga una alta temperatura es reflejo de una alta energía cinética de sus moléculas. Estas moléculas impactan en las paredes, colisionando con otras moléculas de la sustancia vecina. Estas colisiones son las que transfieren la energía de una sustancia a otra, en donde las moléculas con mayor energía ceden parte de ella a las moléculas con menor energía.

En nuestro caso, tenemos una llama que tiene una altísima energía cinética, la capa del globo, la cual es sólida y luego el líquido con una energía mucho menor que la llama pero mayor que la del sólido.

Dibujo de las diferentes capas.

Lo que sucede es que las moléculas que están al exterior del globo golpean y transfieren su energía a las moléculas del borde del globo. Éstas comienzan a agitarse, golpeando a sus vecinas y transfiriéndoles la energía. Esto sucede sucesivamente hasta que se llega al otro extremo de la capa. Ahí las agitadas moléculas de la capa son colisionadas por las moléculas del agua, las cuales se llevan la energía adquirida del exterior. De esta manera se traspasa la energía de un medio a otro por contacto.

Se ha estudiado con mayor rigurosidad este proceso, dando origen a una ecuación que depende de 4 factores: La diferencia de temperatura en ambas sustancias, el área de contacto, el grosor de la capa y el coeficiente de transmisión térmica (obtenido experimentalmente y es único a cada material):

Transmision

En donde es el coeficiente, es el área, es la diferencia de temperatura y es el grosor. La tasa de transmisión se da en J/s (Joules/segundo) y se deben ingresar datos según la constante . Cabe decir que esta ecuación es valida principalmente para superficies planas pero puede ser usada como una aproximación. Se observa que el coeficiente de transmisión, el área y la diferencia de temperatura son directamente proporcionales a la tasa de transmisión mientras que el grosor es inversamente proporcional. Un cálculo rápido tomando , , y el coeficiente de transmisión para la capa del globo es . Poniendo los datos obtenemos:

Transmision

Transmisión

Para comparar, la llama de una vela genera aproximadamente . Así la tasa de transmisión es más rápida que la generada por una llama simple y por ende no se calienta la capa del globo.

Actividades propuestas

Para ahondar más en este fenómeno, pruebe a utilizar diversas sustancias. ¿Con cuales explota?¿Con cuales no?¿Cual dura más?

También puede probar variando la cantidad de agua o el numero de fuentes de combustión utilizadas.

Advertencia: No utilice bajo ninguna circunstancia líquidos inflamables. Pondrá en riesgo tanto a usted como a las personas que la rodean.