EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR

I. INTRODUCCIÓN

Del principio de conservación de la energía, la cantidad de trabajo

mecánico realizado para llevar a cabo una actividad puede

transformarse en calor, o sea, la energía térmica es equivalente al

trabajo realizado. En esta experiencia encontraremos la relación

cuantitativa de la equivalencia entre el trabajo mecánico (joules) y

energía térmica (calorias)

II. OBJETIVOS

El objetivo de la práctica es utilizar la equivalencia entre calor Q y

trabajo W (en ausencia de variación de energía interna) para la

determinación del calor específico de un cuerpo sólido.

La energía mecánica se transforma totalmente, debido a la

fricción, en calor. En el experimento, se hace girar un cilindro

metálico, calentándolo con una cinta de fricción tensa de material.

III. FUNDAMENTO TEORICO

Para elevar la temperatura de un cuerpo o sistema es necesario

ponerlo en contacto con otro cuerpo de temperatura mayor o bien

realizando trabajo mecanico sobre este, esta energía mecánica si

se transforma en energía térmica se mide en calorías; se encontró

la relación entre las caloríficas y las unidades de Joule mediante

una experiencia en la cual la energía mecánica es transformada

íntegramente en energía térmica.

Joule determino la equivalencia de 4.186 Julios = 1 cal, a través de

un aprato en el cual unos pesos que caen pierden energía

mecánica, haciendo girar un conjunto de paletas dentro de un

recipiente que contiene agua, originando calentamiento del agua.

Actualmente sigue siendo aceptado este resultado.

Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la

temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía

en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un

cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el

nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa

como:

La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y

está relacionado con otra magnitud fundamental de la

calorimetría, el calor específico.

Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una

cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de

agua es igual a 1 cal/K.

Calor específico

El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce

como calor específico. En términos matemáticos, esta relación se

expresa como:

donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la

capacidad calorífica, Q el calor aportado y DT el incremento de

temperatura.

El calor específico es característico para cada sustancia y, en el

Sistema Internacional, se mide en julios por kilogramo y kelvin

(J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual

a:

Del estudio del calor específico del agua se obtuvo,

históricamente, el valor del equivalente mecánico del calor, ya

que:

Calorimetría

La determinación del calor específico de los cuerpos constituye

uno de los fines primordiales de la calorimetría.

El procedimiento más habitual para medir calores específicos

consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición

en un baño de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el

sistema está aislado, cuando se alcance el equilibrio térmico se

cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido

por el agua, o a la inversa.

Método de medida de calores específicos. Al sumergir un cuerpo en agua de

temperatura conocida, cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor cedido

por el cuerpo es igual al absorbido por el agua.

Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a la absorbida, se

cumple que:

Siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor específico, T la

temperatura inicial del cuerpo, ma la masa de agua, ca el calor

específico del agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la

temperatura final de equilibrio. Todos los valores de la anterior

expresión son conocidos, excepto el calor específico del cuerpo,

que puede por tanto deducirse y calcularse de la misma.

Calor específico de los gases

En el caso de los gases, ha de distinguirse entre calor específico a

volumen constante (cv) y a presión constante (cp). Por el primer

principio de la termodinámica, y dado que el calentamiento de

un gas a volumen constante no produce trabajo, se tiene que:

En el caso particular de gases diluidos, la vinculación entre el calor

específico a presión y a volumen constante sigue la llamada

relación de J. R. Mayer (1814-1878):

siendo Nm el número de moles por unidad de masa y R la

constante universal de los gases perfectos.

IV. DESCRIBCION DEL EXPERIMENTO

En Esta experiencia se transmite calor a un cilindro de aluminio

por medio del dispositivo instalado, la fricción ejercida por una

cuerda de nylon enrollada sobre el cilindro incrementará su

temperatura al girar la manivela; esta temperatura es medida en

función al cambio de resistividad del termistor dentro el cilindro, y

puede medirse con el ohmímetro.

El trabajo realizado sobre el cilindro al girar la manivela es igual al

producto del torque aplicado “t” y el ángulo total recorrido, se

clacula considerando el valor de la masa suspendiada a un

extremo de la cuerda de nylon y el radio del cilindro, según la

siguiente ecuacon.

T = MgR

Donde M es la masa del cuerpo suspendido, R es el radio del

cilindro de aluminio, g es el valor de la gravedad.

El recorrido angular se mide tomando en cuenta la lectura del

contador ubicado en el dispositivo y multiplicándolo por el valor

angular d euna vuelta (2πRad.)de modo que el trabajo total W

realizado puede determianrse de:

W = t*θ= MgR(2πN)

V. EQUIPOS Y MATERIALES

Equipo (incluye: 1m de cuerda de Naylon, lubricante de

grafito, deposito para masa)

Balanza

Interfase

Miltitester digital

Vernier

Masa (10Kg)

Destornillador plano (mediano)

VI. PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES

Procedimiento para configuración de equipos y accesorios

a) Fije el equipo experimental al borde de la mesa de trabajo

b) Limpie el tambor cilíndrico con un paño limpio y agregue una

pequeña cantidad de polvo de grafito sobre la superficie.

c) Enrolle la cuerda de nylon alrededor del cilindro sujetando uno

de los extremos a la argolla de fijación y el otro a la masa

escogida.

d) Conecte el multitester a los terminales del termistor, usando

los claves de conexión adecuados.

e) Coloque el sector en Ohmios, en la posición de 2000K Ohmios,

el máximo.

f) Realice las mediciones y registre los valores para los

parámetros solicitados.

DATOS INICIALES

Parámetros Valores

Masa suspendida 2Kg

Masa del cilindro de

aluminio

0.257Kg

Radio del cilindro 166.5

Tempreratura inicial del

cilindro

24.5 ºC

Primera actividad (Calculo del equivalente mecanico)

a. Inicie lentamanete el movimiento de la manivela en sentido

horario.

b. Realic en promedio 25 giros de la manivela (tome la lectura del

contador)

c. Tome la lectura del multiteste y calcule la equivalencia de la

temperatura con los datos en el equipo.

d. Determine la variación de la temperatura (descontando 1ºC a la

temperatura final).

e. Calcule el trabajo con la ecuación y el calor producido.

f. Repita lospasos a hasta e y registre sus datos en la tabla

respectiva.

g. Determine en base a estos promedios el valor de W/Q.

h. Calcule el error absoluto y porcentual con el valor ya definido.

RESULTADOS Y CALCULOS

N 1 2 3 4 5 Promedi

o

Temperatur

a final (ºC)

24.1 23.625 23.225 22.825 22.375 23.23

Calor

producido

(cal)

Trabajo

Mecanico

(J)

VII. CUESTIONARIO

1. ¿CUALES PODRIAN SER LAS CAUSAS PARA LA

DIVERGENCIA ENTRE EL VALOR TEORICO PARA EL

EQUIVALENTE MECANICO?

Las causas podrían ser: el valor calculado y el teórico respecto al

equivalente mecánico.

También factores ambientales, como el clima debido a la variación

de temperatura.

El error humano a la hora del cálculo, debido a que se presenta un

porcentaje de error, en dicho calculo.

Entonces divergen de tal manera dichos valores(el teórico y el

calculado), dado que el teórico se basa en hechos reales,

considerando factores ambientales, ya sea como la temperatura

en forma real, y no en forma especulativa como ocurre en el caso

del calculado en el laboratorio.

2. ¿SERIA POSIBLE QUE EL CALOR ABSORBIDO POR EL

CILINDRO SEA MAYOR AL TRABAJO EFECTUADO SOBRE EL?,

EXPLIQUE

Para nada resultaría posible, porque dado que el trabajo realizado

sobre él hace que el cilindro absorba de alguna manera el trabajo

realizado en forma de energía sobre él.

Podría ser menor o igual pero no podría ser mayor.

Entonces la energía que absorbe el cilindro debido a un trabajo

realizado sobre el, depende de dicho trabajo realizado sobre él.

3. ¿PODRIA USTED DESCRIBIR UN PROCESO FISICO POR

EL CUAL PUEDA TRANSFORMARSE CALOR EN ENERGIA

MECANICA?

Calor, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un

cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de

temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una

zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura,

con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la

primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga

constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura

baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

James Prescott Joule El físico británico James Prescott Joule centró

sus investigaciones en los campos de la electricidad y la

termodinámica. Demostró que el calor es una transferencia de

energía y determinó el equivalente mecánico del calor.Science

Photo Library/Photo Researchers, Inc.

Pérdidas de calor en una vivienda Esta imagen de colores falsos

muestra el calor que se escapa de una vivienda en forma de rayos

infrarrojos. Las zonas negras son las que menos calor irradian,

mientras que las blancas (que coinciden con las ventanas) son las

que más calor pierden.NASA/Science Source/Photo Researchers,

Inc.

Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la

temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia

de una sustancia o forma de materia invisible, denominada

calórico. Según la teoría del calórico, un cuerpo de temperatura

alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el

primero cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto

ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho

cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teoría del calórico

explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las

pruebas experimentales presentadas por el físico británico

Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry

Davy en 1799 sugerían que el calor, igual que el trabajo,

corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de

energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott

Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de

forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y

que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo

4. PARA EL EXPERIMENTO REALIZADO, ¿SERÍA

NECESARIO TENER EN CUENTA LA ENERGÍA INTERNA DEL

CILINDRO?

No es necesario tenerla en cuenta ya que la energía interna de un

cuerpo depende de los procesos que transcurren en su interior, no

depende ni del movimiento de este ni de su posición con relación a

otros cuerpos tomados como referencia.

c = C m

Donde C: capacidad calorífica.

m: Masa del sistema

5. ¿CUÁL ES LA DEFINICIÓN DE CALOR ESPECÍFICO

VERDADERO?

Se llama calor específico de una sustancia, a la cantidad de calor

que es necesaria suministrar a un kilogramo de masa de dicha

sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado, se

mide en JOULES.

6. EXPLIQUE DETALLADAMENTE EL FUNCIONAMIENTO DE

UN TERMÓMETRO DE RESISTENCIA Y EL PAR

TERMOELÉCTRICO.

Definimos los siguientes conceptos a continuación:

Termómetro de resistencia

El termómetro se compone de un alambre fino, generalmente de

platino, arrollado sobre una armadura de mica y encerrado dentro

de un tubo de plata de paredes delgadas que sirve de protección.

Se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales

aumenta al crecer la temperatura.

Mediante hilos de cobre se une el termómetro a un dispositivo

para medir resistencias, el cual pude estar colocado en un sitio

conveniente. Puesto que la resistencia puede medirse con mucha

precisión, el termómetro de resistencia es uno de los instrumentos

más precisos para la medida de temperaturas, pudiendo

alcanzarse una aproximación de 0,001 ºC. El intervalo de

utilización de este termómetro de resistencia de platino abarca,

aproximadamente, de -250 ºC hasta 1760 ºC, punto de fusión del

platino.

Coeficiente de temperatura de la resistencia

La resistencia de un material en respuesta a una variación de la

temperatura se conoce como “coeficiente de la resistencia”.

El coeficiente se expresa como un cambio de resistencia en ohms

y por ohm por grado de temperatura a una temperatura

especifica. Para casi todos los metales, el coeficiente de

temperatura es positivo; para muchos metales puros, el

coeficiente es esencialmente constante en grandes porciones de

su gama útil.

7. ¿EN UNA LÁMINA DE ÁREA IRREGULAR EL COEFICIENTE

DE DILATACIÓN SUPERFICIAL ES EL DOBLE QUE EL

COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL?

La dilatación superficial de un sólido isótropo tiene un coeficiente

de dilatación superficial que es aproximadamente dos veces el

coeficiente de dilatación lineal. Por ejemplo si se considera una

placa rectangular (de dimensiones: Lx y Ly), y se somete a un

incremento uniforme de temperatura, el cambio de superficial

vendrá dado por:

Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo

comportamiento independientemente de la dirección, mientras

que en las anisotrópicas las propiedades varían con la dirección..

Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo

comportamiento independientemente de la dirección, mientras

que en las anisotrópicas las propiedades varian con la dirección.

En el caso de la luz, los cristales anisótropos presentan distintos

valores de sus índice de refracción en función de la dirección en

que vobre la luz al atravesar el cristal.

La anisotropía es una consecuencia de la estructura interna del

mineral. Si carece de organización interna (minerales amorfos) o si

presenta una organización muy regular son isótropos, los demás

son anisótropos.

Los minerales que cristalizan en el Sistema Cúbico (o Regular), es

decir, el de máxima simetría, con sus átomos o iones igualmente

distribuidos

en las tres

direcciones

principales del espacio, son isótropos. Los pertenecientes al resto

de los sistemas cristalinos (hexagonal, trigonal, tetragonal,

rómbico, monoclínico y triclino) son anisótropos, las disposiciones

de sus elementos constituyentes varían con la dirección y por

tanto su elasticidad para las ondas luminosas también es

diferente.

Por lo tanto para que el coeficiente de dilatación superficial sea

aproximadamente al doble del de dilatación lineal la lamina que se

esté analizando debe cumplir con las características de la isotropía

que significa debe ser un cuerpo regula

VIII. CONCLUSIONES

El experimento realizado nos sirvió para hallar la relación entre

trabajo realizado y el calor producido.

Comprendimos que la energía interna de un cuerpo, no depende

del movimiento.

La capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa, su

composición química, del estado termodinámico y del tipo de

transformación durante el cual se le suministra calor.

IX. BIBLIOGRAFIA

Ausberto Rojas Saldaña Fisica II .