Convección térmica

Observar las corrientes de convección en un líquido calentado por un termosumergidor midiendo la temperatura a dos alturas con FizziQ Connect.

¿Cómo se propaga el calor en un líquido? A diferencia de los sólidos donde la transferencia se hace principalmente por conducción, los líquidos calentados por abajo desarrollan corrientes de convección: el líquido caliente, menos denso, sube mientras que el líquido frío baja para reemplazarlo. En esta actividad, vas a observar este fenómeno midiendo la temperatura a dos alturas en un vaso de precipitados calentado por un termosumergidor.

Learning objectives:

El alumno coloca dos sondas de temperatura conectadas al módulo FizziQ Connect a dos alturas en un vaso de precipitados lleno de agua. Un termosumergidor calienta el agua por abajo. El registro continuo muestra que el sensor de arriba se calienta más rápido que el de abajo (convección ascendente). Al alcanzar el hervor, las temperaturas se igualan.

FizziQ

Autor:

Duración:

45

Lo que harán los estudiantes:

'- Observar y caracterizar las corrientes de convección en un líquido calentado
- Medir simultáneamente la temperatura en dos posiciones en un fluido
- Interpretar la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior de un recipiente calentado
- Identificar los tres modos de transferencia térmica: conducción, convección y radiación

Conceptos científicos:

'- Convección térmica
- Conducción térmica
- Células de convección
- Masa volumétrica y temperatura
- Ebullición y hervor
- Transferencias térmicas

Sensores:

'- Sonda de temperatura (× 2) conectada al módulo FizziQ Connect

What is required:

'- Smartphone o tableta con FizziQ Connect
- Módulo M5 Stack con dos sondas de temperatura
- Un vaso de precipitados de 250 a 400 mL
- Un termosumergidor (resistencia calefactora sumergida)
- Un soporte con pinza para mantener el termosumergidor
- Agua del grifo
- Opcional: papel de aluminio para aislar el vaso

Procedimiento experimental:

Branche les deux sondes de température sur le boîtier M5 Stack via le Hub multiports. Vérifie que les deux températures s'affichent sur l'écran.
Remplis le bécher d'eau froide du robinet (environ 200 mL). Optionnel : entoure le bécher d'aluminium pour limiter les pertes latérales.
Fixe une sonde de température en bas du bécher (près du fond, sans toucher le thermoplongeur) et l'autre en haut (juste sous la surface de l'eau).
Place le thermoplongeur dans l'eau, accroché au support à l'aide d'une pince. La résistance chauffante doit être immergée et proche du fond.
Connecte FizziQ Connect via Bluetooth et sélectionne l'affichage « Dual Screen » pour visualiser les deux températures simultanément.
Lance l'enregistrement (REC). Les deux sondes doivent afficher des températures proches (température ambiante).
Allume le thermoplongeur. Observe en temps réel l'écart de température entre les deux sondes.
Continue l'enregistrement pendant toute la phase de chauffage (environ 15 à 20 minutes), en notant les moments du frémissement et de l'ébullition.
Arrête l'enregistrement quand l'ébullition est bien établie et que les deux températures sont stables et égales.
Exporte les données et superpose les deux courbes température-temps pour identifier les trois phases : chauffage avec écart croissant, frémissement avec réduction de l'écart, ébullition avec températures égales.

Resultados esperados:

Desde el inicio del calentamiento, la sonda de arriba se calienta más rápido que la de abajo, mostrando que la transferencia de calor se hace hacia arriba por convección. La diferencia de temperatura entre las dos sondas aumenta durante la fase de calentamiento (de 19°C a aproximadamente 80°C arriba contra 50°C abajo). Al alcanzar el hervor, las temperaturas se igualan ya que la convección es turbulenta y mezcla el líquido de manera homogénea.

Preguntas científicas:

'- ¿Por qué el sensor de arriba se calienta primero aunque la fuente de calor está abajo?
- ¿Cómo explicar que las temperaturas se igualen al hervir?
- ¿Qué pasaría si se calentara el agua por arriba en lugar de por abajo?
- ¿Por qué la temperatura de ebullición puede variar ligeramente según las condiciones?

Explicaciones científicas:

En un líquido calentado por abajo, el fluido en contacto con la fuente de calor se dilata: su masa volumétrica disminuye. Al volverse más ligero que el líquido circundante, sube bajo el efecto del empuje de Arquímedes. El líquido frío de arriba, más denso, baja para reemplazarlo, creando un corriente de convección.

Ce phénomène est décrit par les cellules de Rayleigh-Bénard : des structures de convection en forme de rouleaux ou d'hexagones qui s'organisent spontanément dans un fluide chauffé par le bas. Dans un petit bécher, les effets de bord limitent la formation de ces cellules.

Pendant la phase de chauffage, l'écart de température entre haut et bas augmente car la convection transporte la chaleur vers le haut plus vite que la conducción ne la distribue uniformément.

Au hervor, les premières bulles de vapeur se forment au fond du bécher et montent en brassant le liquide. Ce brassage accélère l'homogénéisation des températures.

À l'ebullición, le brassage est intense et continu. Toute l'énergie fournie sert au changement d'état (vaporisation) et non plus à augmenter la temperatura. Les deux sondes indiquent alors la même valeur : la temperatura d'ebullición de l'eau.

Les trois modes de transfert thermique coexistent dans cette expérience : la conducción dans les parois du bécher et le fond, la convection dans le liquide, et le rayonnement depuis la surface de l'eau chaude.

Actividades de ampliación:

'- Calentar el agua por arriba (lámpara infrarroja) y observar la ausencia de convección (estratificación estable)
- Añadir unas gotas de colorante alimentario para visualizar las corrientes de convección
- Comparar el calentamiento del agua y el de un aceite (viscosidad diferente, convección más lenta)
- Medir la velocidad de calentamiento en función del volumen de agua

Preguntas frecuentes:

Q: Las dos sondas muestran valores muy diferentes desde el principio.
R: Las sondas pueden tener una ligera diferencia de calibración. Anota los valores iniciales y trabaja con las variaciones relativas. Verifica también que las dos sondas estén bien sumergidas.

Q: ¿La convección es visible a simple vista?
R: Sin colorante, la convección no es directamente visible. Añadir unas gotas de colorante alimentario permite observar los movimientos del fluido.