EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

RESUMEN

En la práctica de laboratorio de equivalente mecánico de calor se realizó el montaje de un circuito y se conectó al calorímetro el cual tenía una resistencia; de esta manera se proporcionó calor al sistema a través de la energía eléctrica. Primeramente se midió la temperatura inicial del sistema, luego se tomaron 10 valores de voltaje y corriente durante 20 minutos, al promediar dichos valores se obtuvo un valor tanto de voltaje como de corriente para posteriormente hallar la energía suministrada por la fuente, por último se midió la tempera-tura final del sistema y se determinó el porcentaje de error para cada valor.

Palabras clave: calorías, Joule, voltaje, energía y resistencia.

ABSTRACT

In the lab mechanical equivalent of heat is made to mount a circuit and connected to the ca-lorimeter, which had a resistance, so heating was provided to the sys-tem through electrici-ty. first we measured the initial temperature of the system, lue-go, out of 10 voltage and cur-rent for 20 minutes, averaging these values yielded a value of both voltage and current to later find the energy supplied by the source-da, finally, we measured the final temperature of the system and determined the percentage of error for each value.

Key words: calories, Joule, voltage, power and endurance.

OBJETIVOS

1. Medir experimentalmente el equivalente mecánico de calor.

MARCO TEÓRICO

El calor es una forma de energía, cuyas unidades se expresan particularmente en calorías. Una cantidad de calor corresponde a una cantidad dada de energía cinética (movimiento) o potencial (elevación o descenso de un cuerpo). Se conoce al equivalente mecánico de calor como la relación entre calorías y joule. Los estudios que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en Gran Bretaña.

Como la energía se puede transformar en calor y viceversa se establece la siguiente relación:

1 Cal=4 . 185 Joules (1)

Si se introduce en un recipiente con agua a cierta temperatura una resistencia eléctrica, y aplicamos una diferencia de potencial V, observamos el paso de una intensidad de corriente I.

La potencia consumida en la resistencia es:

P=VI (2)

Donde: P=potencia, V=voltaje, I= corriente.

La energía eléctrica W generada al cabo de un tiempo t, es:

W=VIt (3)

Donde: W= energía eléctrica generada, V=voltaje, I= corriente, t=tiempo.

Esta energía se transforma en calor. La cantidad de calor generado en el tiempo t se invierte en elevar no solo la temperatura del agua sino también la de las paredes del recipiente y otros elementos del calorímetro. Otra parte del calor es emitida por radiación al exterior. Si la temperatura inicial es To y la final Tf, entonces:

Q = CH2O (m + K) (Tf – To) (4)

Donde: CH2O es el calor especifico del agua, m la masa del agua en g, K equivalente en agua del calorímetro, Tf es la temperatura final, To es la temperatura inicial.

El equivalente Je del calor es:

Je = W

Q (5)

Y su expresión se obtiene de la siguiente manera:

Je = VIt

CH2O (m + K) (Tf – To) (6)

Donde: CH2O es el calor especifico del agua, m la masa del agua en g, K equivalente en agua del calorímetro, Tf es la temperatura final, To es la temperatura inicial, V es el voltaje, I es la corriente y t el tiempo.

El montaje realizado para la práctica de laboratorio fue el siguiente:

Figura 1: circuito usado en la práctica de equivalente mecánico de calor.Fuente: Las autoras.

Donde 1 es la fuente de voltaje, 2 es el medidor de corriente (multimetro), 3 es el medidor de voltaje (multimetro), 4 es el reóstato y 5 es la resistencia.

HIPÓTESIS

A

V1

2

34

5

METODOLOGÍA

Después de verificar que todo el material sea el correcto. Se procede a pesar el vaso del colorí-metro y se agrega en el 200 ml de Agua, ahora se conecta la resistencia (aproximadamente de 1,2 Ω) al calorímetro con el agua dentro, en la tapa del calorímetro también debe estar el termómetro parar medir la temperatura del agua, seguidamente se conecta el otro extremo de la resistencia en la fuente de voltaje. A continuación se prende la fuente de voltaje hasta obtener una corriente alrededor de 3A en la resistencia, se recomienda apagar la fuente y esperar 5 minutos, para medir la temperatura del agua (To). Ahora se prende la fuente y simultáneamente se mide el tiempo tenido en cuenta los valores de corriente y voltaje cada 2 minutos durante 20 minutos, moviendo suavemente el distribuidor para distribuir homogéneamente el calor del agua. Al terminar los 20 minutos se mide la temperatura del agua (Tf). Para encontrar un error porcentual pequeño se recomienda realizar dos sesiones de 20 minutos para comparar los voltajes con los amperios en cada sesión.

MATERIALES

Figura 2: Fuente de voltaje, proporciona la ener- gía al sistema.Fuente: Las autoras

Figura 3: Termómetro, necesario para medir la temperatura inicial y final del sistema.

Figura 4: Multímetro, útil para realizar mediciones de voltaje, corriente y resistencia.

Figura 5: Calorímetro, necesario para determinar el equivalente mecánico del calor.Fuente: Las autoras.

Figura 6: Reóstato, es útil para soportar tensiones y corrientes muy altas.Fuente: Las autoras.

GRÁFICAS Y CÁLCULOS

V (v) I (A) t (s)

3.24 3.05 120

3.24 3.05 120

3.24 3.05 120

3.24 3.05 120

3.24 3.05 120

3.25 3.05 120

3.24 3.05 120

3.24 3.05 120

3.24 3.05 120

3.25 3.05 120

V=3.242 I=3.05 Ttotal=1200

Tabla 1: Valores de voltaje y corriente tomados en los primeros 20 minutos cada 2 minutos. Vale la pena resaltar que para este proceso la To=20°C y Tf=34°C, y el valor inicial de V=3.05 v y I=3.05 A.

Para los datos de la tabla 1 se tiene:

Aplicando la ecuación 6:

Je=(3.242 v ) (3.05 A )(1200 s)1cal (200 g+2.5 cal )(14)

=4.1854 J

%E=4.185−4.18544.185

∗100=0.0095 %

ANÁLISIS

En la presente experiencia fue necesario realizar cuatro tipos de mediciones: mediciones de masa, y mediciones de temperatura, mediciones de voltaje y mediciones de corriente. El realizar di-chas mediciones sirve para determinar la masa del calorímetro, la temperatura inicial del sistema, la temperatura final del sistema, la corriente y el voltaje que pasan por un circuito.

Considerando todo lo anterior, se pueden suponer errores en los valores hallados debido a la incertidumbre de las mediciones realizadas por los instrumentos mencionados en los materiales. Dichos errores son sistemáticos y pueden ser calculados como se muestra en los cálculos. Además de los errores ya considerados también surgen errores de tipo causal, los cuales son errores de apreciación del observador, el cual es inevitable debido a la imperfección de los sentidos. El tomar los datos en un intervalo de tiempo de 1200 s=2 minutos, disminuye considerable-mente los porcentajes de error, como se observa en el cálculo de los errores porcentuales la medición con mayor precisión es la de los datos tomados en la tabla 1 pues su porcentaje de error es de 0.0095%.

Tanto en la tabla 1 se puede observar la similitud de los valores de V e I, esto posiblemente al bajo margen de error en la medición del multímetro.

CONCLUSIONES

Fue posible determinar una relación cuantitativa de la equivalencia entre trabajo mecánico en joule y energía termina en calorías.

El equivalente mecánico del calor, es básicamente-te, el número de joule necesarios para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de agua, mediante la utilización de trabajo mecánico.

Se encontró la relación entre las calorías y las unidades de Joule mediante la cual la energía mecánica es transformada en energía térmica.

BIBLIOGRAFÍA

http://cuauhtemoc.org.mx/data/files/UNAM/Termodinca/Equivalente%20Mec%C3%A1nico%20del%20Calor.pdf

Guía laboratorio fisicaIII/ Equivalente mecanico decalor-