Informe6_Equivalente eléctrico del calor

8/6/2019 Informe6_Equivalente eléctrico del calor

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Mario Aguaguiña M. ESPOL 2010-2011

EQUIVALENTE ELÉCTRICO DEL CALOR

OBJETIVOS.

Observar la conservación en una transformación de energía eléctrica en energía térmica.

EQUIPO.

Fuente regulable de voltaje DC

Voltímetro y Amperímetro

Interruptor un polo, un borne

Reóstato

Cables de conexión

Calorímetro y Termómetro

Balanza

Cronómetro

RESUMEN.En esta práctica se realizaron varios experimentos, a fin de poder observar el fenómeno de la

transformación de la energía, en este caso de energía eléctrica a energía calórica.

Para esto se utilizó una resistencia sumergida en agua, al proporcionarle energía eléctrica a la

misma, ésta comienza a generar calor por el denominado “efecto joule”, provocando que el

agua absorba ese calor y por ende aumente su temperatura.

Se analizó la energía eléctrica proporcionada a la resistencia y la energía calórica absorbida

por el agua desde el punto de vista eléctrico y térmico respectivamente, es decir se encontró laenergía eléctrica en función de la potencia eléctrica (voltaje y corriente) y tiempo; la energía

calórica se la hallo midiendo la variación de temperatura que sufrió el agua.

Se compararon los resultados obtenidos para ver si había una concordancia en los mismos, es

decir, se ambos valores de energía eran muy parecidos.

Además se analizaron los diferentes factores que influyeron en la diferencia obtenida.




INTRODUCCIÓN.

La ley de la conservación de la energía exige que la energía se transforme de una forma a otra

sin perdida. Esto significa que un joule de energía potencial, cuando se convierte en

electricidad, deber volverse un joule de energía eléctrica. Un joule de energía eléctrica,

cuando se convierte en energía térmica debe producir un joule de energía térmica. La potencia

eléctrica es = donde I es la corriente en amperios, y V es la diferencia de potencial en

voltios. La energía eléctrica es la potencia multiplicada por el tiempo, de modo que = =

, donde E es la energía en joules y t es el tiempo es segundos. La energía térmica en el

agua puede escribirse como = ∆ , donde Q es la energía térmica en joules, m es la

masa de agua, cw es el calor específico del agua y ∆Tw es el cambio de temperatura de agua.

En este experimento, mediremos la cantidad de energía eléctrica convertida en energía

térmica mediante una bobina calefactora sumergida en agua. Al mismo tiempo, mediremos lacantidad de calor absorbido por una masa conocida de agua. El calorímetro, tiene un calor

específico mínimo y no absorberá energía térmica. Los resultados obtenidos deben indicar

que energía térmica obtenida transferida al agua es la igual a la energía eléctrica consumida en

la bobina.

Para minimizar el efecto de la pérdida de calor a la atmósfera, es mejor calentar el agua el

mismo número de grados arriba de la temperatura ambiente que tenía por debajo de éste antes

de iniciar el calentamiento. De este modo, si usted empieza con agua a 10ºC y la temperatura

ambiente es 20ºC, la temperatura final del agua debe ser 30ºC. En esta forma, cualquier calor

ganado por los alrededores mientras las temperaturas son menores que la temperatura

ambiente, es probable que se compense por una pérdida de calor igual cuando las

temperaturas sean más altas que la temperatura ambiente.

Por definición, la caloría es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la

temperatura de un gramo de agua un grado Celsius desde 14.5 ºC. Los experimentos de Joule

demostraron que no sólo la energía térmica permite elevar la temperatura, sino que también

cualquier otra forma de energía suministrada a un sistema puede realizar el mismo efecto. Con

estos experimentos Joule obtuvo el equivalente mecánico del calor, Je, es decir el número de

Joules necesarios para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de agua, mediante la

utilización de trabajo mecánico.

Por definición, la caloría es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la

temperatura de un gramo de agua un grado Celsius desde 14.5 ºC. Los experimentos de Joule

demostraron que no sólo la energía térmica permite elevar la temperatura, sino que también

cualquier otra forma de energía suministrada a un sistema puede realizar el mismo efecto. Con




estos experimentos Joule obtuvo el equivalente mecánico del calor, Je, es decir el número de

Joules necesarios para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de agua, mediante la

utilización de trabajo mecánico.

En este trabajo medimos este equivalente utilizando la transformación de energía eléctrica en

térmica.

Si introducimos en un recipiente con agua a cierta temperatura, una resistencia eléctrica o una

lamparita, y aplicamos una diferencia de potencial V entre sus bornes, observamos el paso de

una intensidad de corriente I .

La potencia consumida en la resistencia de la lamparita es: P=VI

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

Esta energía se transforma en calor. La cantidad de calor generado en el tiempo t se invierte

en elevar no sólo la temperatura del agua sino también la de las paredes del recipiente y otroselementos del calorímetro. Otra parte del calor es emitido por radiación al exterior. Si la

temperatura inicial es T1 y la final T2, entonces:

= ( + ) ( − )

donde C0 es el calor específico del agua (a cal/g K), m la masa en gramos del agua y k el

llamado equivalente en agua del calorímetro(1), masa de agua capaz de absorber igual

cantidad de calor que el calorímetro para la misma elevación de temperatura. No

consideramos la emisión de calor por radiación. Más adelante comprobamos que podemos

dejarla de lado ya que no es significativa.

El equivalente, Je, del calor, es:

=




PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Durante esta práctica se desarrollaron varios experimentos que se describen a continuación y

que sirvieron de mucha ayuda para una mejor comprensión en el análisis de la transformación

de energía eléctrica en energía térmica.

Mida la masa del calorímetro y registre este valor en su informe.

Anote la temperatura ambiente en el informe. Llene aproximadamente dos tercios del vaso

con agua.

Mida la masa de vaso más el agua, registre este valor, calcule la masa del agua y anote este

valor en el informe de esta práctica.

Arme el circuito como se muestra en la figura 2. Si tiene una fuente de poder ajustable, el

reóstato está integrado en ella, en vez de estar separado. Asegúrese de que la bobina se

encuentra sumergida en el agua. En caso contrario, añada agua y repita el paso anterior.

Después de que el profesor haya revisado el circuito, cierre el interruptor. Ajuste el

reóstato hasta que el flujo de corriente sea de 2 a 3 A. Abra el interruptor de inmediato.

Agite el agua suavemente con el termómetro. Lea la temperatura inicial el agua. Anote este

valor en el informe. Prepárese para tomar el tiempo de sus lecturas.

Cierre el interruptor. Cada minuto lea los valores en el amperímetro y en el voltímetro y

regístrelos en su informe. De vez en cuando agite suavemente el agua, si es necesario,

ajuste el reóstato para mantener un flujo de corriente constante.

Observe continuamente la temperatura del agua para determinar cuando alcanza los grados

por encima de la temperatura ambiente que tenía por debajo de ésta antes de empezar el

experimento. Un minuto después de que esta alcance esta temperatura, abra el interruptor.

Agite suavemente el agua hasta que adquiera una temperatura constante. Anote la

temperatura final del agua en su informe. Calcule el cambio de la temperatura del agua y

registre este valor en el informe.

Determine la corriente promedio y el voltaje promedio. Registre estos valores en el

informe.



Mario Aguaguiña M.

Equipo utilizad

fuente de voltaje,

Amperímetro

Fuente de voltaj

: Voltímetro, amperímetro, calorímetro, ter

interruptor, cables de conexión.

Voltím

e Interrup

ESPOL 2010-2011

ómetro,

etro

or




Tablas.

Equivalente eléctrico del calor

La tabla de datos que se muestra a continuación “TABLA #1”, contiene datos obtenidos por

medición directa durante la práctica.

TABLA #1

Masa del calorímetro 75 g

Masa del agua y el vaso 250 g

Masa del agua 175 g

Temperatura inicial del agua 25 °C

Temperatura ambiente 27 °C

Temperatura final del agua 29 °C

Cambio de temperatura del agua 4 °C

Corriente promedio 2.0 A

Voltaje promedio 8.0 V

La tabla de datos que se muestra a continuación “TABLA #2, contiene datos de corriente y

voltaje obtenidos durante la realización de este experimento.

TABLA #2

Tiempo (min) Corriente (A) Voltaje (V)

1 2.0 8.1

2 2.0 8.0

3 2.0 7.9




Cálculos.

Equivalente eléctrico del calor

a) Determine la energía eléctrica consumida en la resistencia, empleando =

= 2.0

= 8.0

= 3 = 180

=

= (2.0 )( 8.0 )(180 )

= 2880

b) Determine el calor absorbido por el agua, utilizando = ∆ , donde es

. / ℃

± = (175 ± 50)

∆ ± ∆ = (4 ± 2) ℃

= 4.18 / ℃

= ∆

= (175 )(4.18 / ℃ )( 4 ℃ )

= 2926

c) Encuentre la diferencia relativa entre la energía eléctrica consumida y la energía

térmica absorbida por el agua. Utilice la diferencia % =|( )|

× %

= 2880

= 2926

% =|( − )|

× 100%

% =|(2880 − 2926 )|

2880× 100%

% = 2%




d) Una bobina calefactora de inmersión se emplea para hervir 90.0 ml de agua de una

taza de té. Si el valor nominal de la bobina de inmersión es de 200 W, encuentre el

tiempo necesario para llevar esta cantidad de agua inicialmente a 21 ºC, hasta el

punto de ebullición.

= 90.0

± = 21 ℃

± = 100 ℃

= 4.18 / ℃

= 200

=

= ( − )

=( − )

=(90.0 )(4.18 / ℃ )( 100 ℃ − 21 ℃ )

200

= 148.6




Figuras.

A continuación se muestra algunas figuras que ilustran el proceso de la práctica.

+ V

A

-

+ -

+

-

Bobina calefactora

Reóstatic

Termómetro

A ua Bobina

Figura 2

Figura 1




DISCUSIÓN.

a) Tomando en cuenta el aparato que utilizó, señale por qué no se obtuvo una

concordancia exacta en la pregunta anterior. Considere la bobina calefactora al dar

su respuesta.

Porque la bobina usada en este experimento se encontraba en mal estado, además el equipo

que se utilizó, como la balanza, contribuyó con errores en la medición, los cuales son un

factor importante en el resultado obtenido.

b) ¿La concordancia obtenida fue suficiente para indicar que, en condiciones ideales,

usted hubiera encontrado una concordancia en el intercambio de energía? Explique

su respuesta.Sí, porque tomando en cuenta las condiciones tanto del ambiente como las del equipo

utilizado en el experimento y el error obtenido podemos decir que en condiciones ideales, o

sea, si somos capaces de aislar completamente el sistema, para que no se disipe energía al

ambiente, hubiésemos obtenido una concordancia exacta en los resultados de intercambio de

energía.

c) ¿Qué porcentaje de la energía eléctrica fue convertida en energía térmica en el agua?

% = × 100%

% =2880

2926× 100%

% = 98%

d) Un bombillo eléctrico tiene una eficiencia cercana al 16%. ¿Cuántos juoles de energía

térmica emite el bombillo cada segundo?Si un bombillo tiene una eficiencia del 16%, quiere decir que éste solo entrega un 16% de la

potencia que recibe, es así que si recibe una potencia de 100 watts, el bombillo estará en

capacidad de entregar tan sólo 16 watts.

Durante esta práctica se observó cómo se transformaba energía eléctrica en energía térmica,

según la ley de la energía toda esa energía eléctrica debería transformarse en energía térmica,

lo cual no se cumplió en esta práctica ya que había una determinada cantidad de energía que

se disipaba en el ambiente porque el sistema no se encontraba en condiciones ideales, es decir,

aislado completamente.




CONCLUSIONES.

Luego de realizar los diversos experimentos en esta práctica, se pudo observar como la

energía eléctrica puede convertirse en energía térmica.

La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está directamente

relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de utilización de las

fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas o no

convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos modos la

energía eléctrica una de las que causan menor impacto.

Los valores de energía eléctrica proporcionada a la resistencia y energía térmica absorbida por

el agua fueron diferentes pero muy parecidos, tuvieron una diferencia relativa porcentual del

2%.

Los resultados obtenidos en esta práctica dieron un considerable porcentaje de error, esto sedebe a que no consideramos el calor especifico del calorímetro, además como en toda práctica

los errores en los instrumentos de medición son un factor importante y muy significativos,

aunque tuvimos un considerable porcentaje de error, la práctica se realizó exitosamente y los

resultados obtenidos fueron los que se esperaban.

BIBLIOGRAFÍA.

SERWAY, Raymond. Física, Edic. 5, Pearson Educación, México, 2001.

SERWAY, Raymond A, Física, vol II. Edit. McGraw-Hill, tercera edición revisada, 1993.

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