Nombre de la Estudiante:

Denisse Villamar HerreraNombre de la Estudiante:

Francisca Flores NicolaldeFecha de Entrega:

1 - diciembre – 2010

Paralelo: 27

Práctica: 5

II Término – 2010

La clase pasada tratamos sobre la conservación de la energía en una transformación de energía eléctrica en energía térmica.

Se nos explico con detenimiento, paso a paso, el procedimiento que debíamos seguir en está práctica.

Instituto de Ciencias Físicas

Equivalente Eléctrico del Calor

En este experimento, medimos la cantidad de energía eléctrica convertida en energía térmica, mediante un calorímetro, que es una bobina eléctrica calefactora sumergida en agua. Al mismo tiempo, medimos la cantidad de calor absorbida por una masa de agua ya medida. El calorímetro, tenía un calor específico mínimo, los resultados debían indicar que la energía transferida al agua igual a la energía eléctrica consumida en la bobina.

Para minimizar el efecto de pérdida al comienzo del experimento se midió hasta que temperatura debíamos llegar, la fórmula se especificara más adelante en los resultados.

Realmente fue un poco confuso seguir los pasos del libro esto nos llevo a repetir la práctica en tres ocasiones.

A continuación detallaré con sumo cuidado cada paso de tal manera que los pasos a seguir sean los más sencillos, claros y efectivos posibles, también mencionaré ciertos consejos para saber que hacer en determinadas ocasiones.

La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor. Dicho de otra forma: la energía puede transformarse de una forma a otra o transferirse de un cuerpo a otro, pero en su conjunto permanece estable (o constante).

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=IV

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 otros elementos del calorímetro. Otra parte del calor es emitido por radiación al exterior. Si la temperatura inicial es T1 y la final T2, entonces:

(2)

(1)

Q=C0(m+k )(T 2−T 1)

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:

Je=WQ

Y su expresión se obtiene dividiendo la ecuación (2) por la (3).

Un dispositivo muy útil para los experimentos de termodinámica es el calorímetro de mezclas, que consiste en un recipiente que contiene un líquido (por lo regular agua), un termómetro y algún otro elemento como un agitador o una resistencia eléctrica. Si por algún método suministramos una cantidad de calor Q al sistema, la temperatura del calorímetro aumentará en DT. La relación entre estas cantidades será:

Q=(cagua .magua+c termom .mtermom+cxx .mxx ) .∆T

¿Cagua .(M agua+{c termom+mtermom+cxx .m xx

cagua }) .∆T¿cagua . (magua+ {M eq}) .∆T

Aquí, cagua, c termom y c xx son los calores específicos del agua, termómetro y agitador (u otro objeto dentro del calorímetro) respectivamente. Sus masas correspondientes son: magua, mtermom y m xx. Como se ve en la segunda línea de (1), el término entre llaves, es una constante para un dado calorímetro, y como tal puede agruparse todo este término en una sola contante M eq, que se designa como el equivalente en agua del calorímetro. M eq tiene un significado físico simple: representa una masa de agua cuya capacidad calorífica es igual a la del termómetro, recipiente, agitador y todos los demás componentes del calorímetro. Existen varios métodos de determinar el valor de M eq; uno de ellos se describe más adelante en este experimento. Un modo simple de obtenerlo consiste en partir de dos volúmenes de agua a distintas temperaturas: una masa de agua m1 a T 1 (caliente, una decena de grados arriba de la temperatura ambiente, T amb), y otra masa de agua m2 a T 2 (fría, por ejemplo una decena de grados debajo de T amb), que se supone está en el calorímetro junto a los demás componentes. Una vez medidas las temperaturas T 1 y T 2 los dos volúmenes de agua se mezclan en el calorímetro, el cual se equilibrará térmicamente a una temperatura T f . Por conservación de la energía tenemos:

Q=cagua . (m1+M eq ). (T f−T1 )=cagua . (m2 ). (T 2−T f )

De donde:

(3)

(2)

(3)

M eq=m2 .(T2−T f )(T f−T 1 )

−m1

Dado que el calorímetro no está totalmente aislado del medio, siempre hay intercambio de calor entre el calorímetro y el medio, lo que altera la igualdad (2). Para minimizar los errores sistemáticos introducidos por este intercambio térmico es aconsejable, partir de una docena de grados debajo de la T amb y procurar que la temperatura final (T f ) esté una cantidad similar de grados por arriba de T amb, esto es:

T 2−T f ≈T f−T 1

De este modo, parte del calor que el medio entrega al sistema en la primera parte del experimento, es devuelta por el sistema al medio en la segunda parte.

Se realizo una sola actividad orientado a confirmar la ley de conservación de energía y a obtener un porcentaje de error considerable en esta práctica. Explicaré paso a paso el proceso que seguimos para lograr nuestro objetivo.

Actividad

Procedimiento:

1) Se midió la masa del vaso del calorímetro y se registro este valor.2) Se anotó la temperatura ambiente en ese momento.3) Se llenó dos tercios del vaso con agua, se

midió la masa del vaso más el agua y se registró en el cuadro de datos. Con estos valores se calculo el valor de la masa del agua y se registro en la hoja de práctica.

4) Se armo el circuito de tal manera que de la fuente vaya al interruptor y luego al calorímetro, del calorímetro al

(4)

amperímetro y de nuevo a la fuente, el voltímetro se pone en paralelo sobre los cables conectados ya en el calorímetro.

5) Una vez revisado el sistema por la profesora, se cerró el interruptor y se ajusto el flujo de corriente a 2 amperios e inmediatamente se abrió el interruptor nuevamente.

6) Se agito un poco el agua dentro del calorímetro y se tomó la temperatura que será registrada como temperatura inicial del agua. Y nos preparamos para anotar las temperaturas en cada minuto.

7) Antes de volver a cerrar el interruptor se calculo hasta que temperatura se debe tomar el voltaje y la corriente para así minimizar el efecto de pérdida de calor a la atmósfera.

8) Cada minuto se leyeron los valores del amperímetro y del voltaje hasta llegar a la temperatura calculada anteriormente.

9) En el momento de llegar a la temperatura que se calculo en el punto 7) se abrió el interruptor se espero un minuto, se agito suavemente dentro del calorímetro y se registro la temperatura, esta represento la temperatura final del agua.

10) Se calculo el cambio de temperatura del agua y se registro en la hoja de práctica.

11) Se determino y registro la corriente promedio y el voltaje promedio.

Antes de comenzar a anotar los valores por cada minuto es necesario conocer hasta que temperatura se llegará a anotarse la corriente y el voltaje, este cálculo se hará de está manera:

T f−Tamb≈T amb−T i

T f=Tamb+(T amb−T i )

T f=27+(27−25 )

T f=29

Esta temperatura final obtenida es la temperatura tope a la que llegaremos durante el experimento.

Valores de corriente y voltaje obtenidos durante la realización de este experimento

Tiempo (min) Corriente (A) Voltaje (V)1 2 5,62 2 5,63 2 5,64 2 5,6

La energía eléctrica consumida en la resistencia mediante la fórmula:

E=IVt=(2 ) (5,6 ) (300 )

E=3360J

El calor absorbido por el agua, utilizando Qw=mwcw∆T w donde el calor específico

cw=4,18JgCº

Qw= (1200 ) (4,18 )(4,5)

Qw=¿3762 J

La diferencia relativa entre la energía eléctrica consumida y la energía térmica absorbida por el agua.

%=|3360−3762|

3360.100%

%=11.96%

Debido a que la bobina tiene una resistencia no permite todo el cambio de temperatura.

Fue un gran reto este laboratorio, a pesar de ser corto, aparentemente, el procedimiento, si no se hace con exactitud realmente conllevara a grandes problemas ya que el porcentaje de error obtenido será muy grande e indicará que se perdió mucha energía cuando se supone que se debe conservar.

Debe realizarse con sumo cuidado la práctica, seguir paso a paso cada uno de los puntos del procedimiento, caso contrario el porcentaje de error que se obtendrá será muchísimo mayor a lo que debemos esperar.

Datos del experimento

Masa del Calorímetro 25 grMasa del agua y el vaso 250 grMasa del agua 225 grTemperatura inicial del agua 25ºCTemperatura ambiente 27ºCTemperatura final del agua 29.5ºCCambio en la temperatura del agua 4.5ºCCorriente promedio 2 AVoltaje promedio 5.6 V

Si se llega a abrir el interruptor después de un minuto de haber llegado a la T f ese minuto debe considerarse al momento de hacer los cálculos.

En condiciones ideales se podría apreciar mejor la conservación de la energía.

Imágenes:

Celular.

Información:

http://www.fisicarecreativa.com/guias/equivalente.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Conservaci%C3%B3n_de_la_energ%C3%ADa