CONSERVACION DE LA ENERGA

CONSERVACION DE LA ENERGA

I.- OBJETIVOS

1.1.- OBJETIBOS GENERALES

Verificar la relacin existente entre el trabajo elctrico (mecnico) y el calor

1.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS

Obtener el equivalente en agua de un calormetro.

Determinar la curva de equilibrio del Calormetro y verificar la conservacin de la energa.

II.- FUNDAMENTO TEORICO

El principio de conservacin de la energa nos dice que si una cantidad dada de energa de algn tipo se transforma completamente en calor, la variacin de la energa trmica resultante debe ser equivalente a la cantidad de energa entregada. En este experimento buscamos demostrar la equivalencia entre la energa entregada a un sistema y el calor en que se convierte. Si la energa se mide en joules y el calor en caloras, nos proponemos tambin encontrar la equivalencia entre estas unidades. A la relacin cuantitativa entre joules y caloras la llamaremos equivalente elctrico(o mecnico) del calor y la denominaremos Je.

Recordamos que joule es la unidad de energa del sistema internacional de unidades: 1 J = 1 y una calora es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de agua para elevarle la temperatura 1C(desde 14.5C hasta 15.5C).

Un dispositivo muy til para los experimentos de termodinmica es el calormetro de mezclas que consiste en un recipiente con una buena aislamiento trmico y que contiene un liquido ( por lo regular agua), un termmetro y otros elementos, como un agitado y un calefactor(resistencia elctrica). No debemos olvidad que el calormetro participa como parte integrante en los procesos de transferencia de calor que se realicen en el y por tal motivo es importante caracterizar su comportamiento trmico. Aqu damos un mtodo para obtener el parmetro del calormetro denominado equivalente de en agua del calormetro.Meq.

Si por algn mtodo suministramos una cantidad de calor Q al sistema, la temperatura del calormetro aumentara una cantidad T. La relacin entre estas cantidades ser:

Q = (Cagua * magua + Ctermon * mtermon + Cxx * mxx) * T

Q = Cagua * (magua + [Ctermon * mtermon + Cxx * mxx] / Cagua) * T

Q = Cagua * (magua + (Meq)) * T

Aqu, Cagua es el calor especfico del agua, Ctermon representa el calor especfico del termmetro y Cxx el calor especifico del recipiente, agitado y dems elementos dentro del calormetro, estos dos ltimos desconocidos en general. Las masas correspondientes son: magua, mtermon y mxx. Para un dado calormetro, el termino entre llaves de (1b) es una constante con dimensin de masa y puede agruparse en una sola constante Meq, que se designa como el equivalente en agua del calormetro Meq tiene un significado fsico simple: representa una masa de agua cuya capacidad calorfica es igual a la del conjunto constituido por el termmetro, recipiente, agitador y todos los dems componentes del calormetro.

Existen varios mtodos para determinar el valor de Meq. Un modo simple de obtenerlo consiste en mezclar dos volmenes de agua a distintas temperaturas: una masa de agua m1 a T1 (agua fra, una decena de grados debajo de la temperatura ambiente, Tamb), que se supone esta en el calormetro junto a los dems componentes y otra masa de agua m2 a T2 (agua caliente, una decena de grados arriba de Tamb). Una vez medidas las temperaturas T1 y T2, los dos volmenes de agua se mezclan en el calormetro, el cual se equilibrara trmicamente a una temperatura. Por conservacin de la energa tenemos:

Q = Cagua * (m1 + Meq) * (Tf T1) = Cagua * m2 * (T2 - T1)

de donde:

Meq = m2 * [(T2 Tf) / ( Tf T1)]

Dado que el calormetro no esta totalmente aislado del medio, siempre hay intercambio de calor entre el calormetro y el medio, lo que altera la igualdad. Para minimizarlos errores sistemticos introducidos por este intercambio trmico con el medio es aconsejable partir de una decena de grados debajo de la Tamb y procurar que la temperatura final, Tf, este una cantidad similar de grados por arriba de Tamb, esto es:

T2 T1 Tf T1

De este modo, parte del calor que el medio entrega al sistema antes de la mezcla es devuelto por el sistema al medio despus de la mezcla.

Usando el procedimiento descrito, determine el equivalente en agua de su calormetro y su incertidumbre. Meq Meq

El principio de este experimento consiste en suministrar energa elctrica a un calefactor (resistencia elctrica) sumergida en el agua dentro de un calormetro y medir el calor desarrollado. Como calefactor puede usarse un calentador de inmersin o una lamparita elctrica de 12V 50 W.

Cuando por el calefactor circula una corriente elctrica I y se desarrolla en el una direccin de potencial V, la potencia P que disipa el calefactor por efecto Joule esta dada por:

I = I * V Si I se mide en Ampere y V en Volt, la potencia queda expresada en Watts. L energa suministrada al calefactor en un tiempo texp ser:

IexpWelctrico = I(t). V(t).dt I.V.texp = P . texp

t = 0

Donde hemos supuesto que I y V son aproximadamente constantes S expresamos la energa elctrica Welctrico en joules, podemos deducir cual es la cantidad de Joules requeridos para generar una calora. La cantidad de caloras entregadas al agua se calcula a travs de la medicin de la variacin de temperatura T de la misma, conociendo la masa de agua magua y el equivalente en agua del calormetro Meq:

Q = Cagua (magua + Meq) * T

Si suponemos que toda la energa elctrica entregada se convierte en calor, podemos escribir la igualdad

Welctrico = Je.Q (cal)

Donde Je tiene unidades de joule/cal y representa la cantidad de Joules requeridos para producir una calora.

Mida la temperatura ambiente Tamb. Llene un calormetro con agua fra hasta que el calefactor que totalmente inmerso en el agua ( el agua deber estar aproximadamente a unos 10C por debajo de la temperatura ambiente). Conecte la fuente de tensin a los terminales del calefactor y el ampermetro y el voltmetro de manera de poder medir la corriente y el voltaje en el calefactor simultneamente. Si como calefactor usa un lamparita, discuta la posibilidad de agregar al agua unas gotas de tinta negra de modo de mejorar la absorcin de la luz producida por la lamparita y reducir el escape de la radiacin del calormetro.

III.- CALORMETRO

V.- EQUIPOS Y MATERIALES

Un calormetro

Un multitester

Una fuente de tensin

Un termmetro de mercurio en el rango 0 - 100C

Un depsito para medir agua

Un calefactor de inmersin o resistencia de 25 Watts o bien una lamparita de 12 volt 50 Watts.

V.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

PARTE I: Determinacin experimental del equivalente en agua del calormetro (Q): Pesar las masas de agua m1 y m2 Medir la Tamb Verifica las temperaturas de las masas m1 ym2. Procurando 5 menos y 5 mas que la ambiental

Mezclar ambas masas

Determinar la temperatura de estabilizacin del sistema Tf, determinar la Masa equivalente del calormetro.

PARTE II: Determinar del equivalente elctrico del Calor

Medir una masa m de agua a una temperatura 5 menor a la ambiental y agregar al calormetro. Cerrar el calormetro.

Verificar el valor de la tensin y la intensidad de corriente.

Indicar la toma del tiempo.

Verificar el equivalente elctrico del calor, luego de comprobar de que el sistema alcanza una temperatura de equilibrio.

VI.- DATOS POR CONSIGNAR

PARTE I

Masa mA1 de agua

Temperatura TA1

Masa mA2 de agua caliente

Temperatura TA2

Temperatura final Tf (equilibrio)

PARTE II

Tensin

Intensidad de Corriente

Temperatura final de equilibrio

VIII. CUESTIONARIO 1. Indique el valor del equivalente en agua de su calormetro

T0 = 20C, T1 = 10C, T2 = 30C, m1 = 250ml, m2 = 200ml

Meq =25 gr2. Llenar el siguiente cuadro

NTcI(Amp)V(volt)tiempo(min)

1151.579.820

2151.589.8973

3161.5910.036

4171.589.949

5171.579.8812

6181.5910.0315

7191.581018

8201.589.8921

9201.589.924

10211.579.8627

4. Defina el efecto joule Cuando la corriente elctrica atraviesa una resistencia, produce energa que se disipa en forma de calor cuyo valor es directamente proporcional a:

E = RI2t

I

5. Qu diferencia existe entre el equivalente mecnico del calor y equivalente elctrico del calor?

Equivalente mecnico del calor: Es aquel factor de conversin utilizado para transformar unidades de calor a unidades de trabajo o energa mecnico.

Equivalente elctrico del calor: Es aquel factor de conversin utilizado para transformar unidades de energa mecnica o elctrica a unidades de calor.

6. Represente grficamente el T medido por cada intervalo texp en funcin de texp, la

Pendiente de la recta.

8. De que manera se alteraran los parmetros de la experimentacin, si se hubiese enfriado o calentado caf o agua con tinte negro? Sustentar racionalmente su respuesta. Si se hubiesen enfriado o calentado otra sustancia de las que se mencionan la transferencia de calor hubiese sido ms rpida debido a que los cuerpos negros atrapan ms rpido el calor.

9. Cules son los errores que se presento en la experiencia y que recomienda para mejorarla?

El error ms saltante es que el calor no se mantiene constante en el calormetro y adems este no es completamente adiabtico. Mejorara la experiencia un aislamiento mejor del calormetro.

10. Qu es un calormetro de flujo continuo? La potencia es medida a travs del calor de un fluido que fluye a travs de la carga. Una indicacion de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.

Caractersticas Las versiones de guas de ondas utilizan como fluido de trabajo agua. Mientras que el coaxial utiliza aceite y es construido para bajas frecuencias. El aire tambin puede ser usado, pero el uso de gases crea un problema adicional a causa del calor debido a la compresibilidad

Los calormetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estticos. Su principal aplicacin es para potencias de muchos watts. para medir las subidas de temperatura en un calormetro usualmente se emplean termopilas, termmetros de resistencia y algunas veces termistores

11. Detallar un procedimiento experimental para determinar el calor especfico de slidos a travs del mtodo de mezclas.

En un recipiente que se usa para calcular calores especifico. Este recipiente, que est aislado convenientemente para evitar prdidas de calor, contiene agua cuya masa se ha medido previamente y un termmetro sumergido en el que se mide la temperatura.

Para calcular el calor especfico de una sustancia se toma una muestra de dicha sustancia y se calienta, evitando que alcance temperaturas altas por que producira cambios de fase en el agua del calormetro. La muestra caliente es introducida en el calormetro, agitndose conjuntamente con el agua hasta conseguir que la temperatura sea uniforme; luego se observa la nueva temperatura de equilibrio del sistema.

Seguidamente se toman los datos necesarios y se iguala la siguiente ecuacin:Qg = Qp M1Ce1 (Tf-T1) = M2Ce2 (T2-Tf)

Donde:

Tf: temperatura de equilibrio.

12. Investigar acerca de los materiales del cual estn hechos los calormetros (paredes Internas.

El recipiente utilizado para efectuar las medidas de calor se denomina calormetro, que en su forma ms sencilla es una vasija de paredes aisladas que aloja en su interior el termmetro y agitador. Adems contiene un lquido calorimtrico que generalmente es el agua.

La capacidad calrica del calormetro (los alrededores) es la suma de las capacidades calricas de sus partes (el agua, las paredes, un termmetro y un artefacto de agitacin). El valor de la capacidad calrica de cada parte depende del material y del tamao. Esquemticamente un calormetro consta de los siguientes elementos: 1.- Recipiente en el que tiene lugar el proceso. Este recipiente est integrado en un sistema de aislamiento mediante el cual se trata de evitar las prdidas de calor por radiacin o conveccin.

2.- Dispositivo para la medida de cambios de temperatura (termmetro de mercurio contrastado, termopar, termmetro de resistencia,...).

3.- Dispositivo para el calentamiento controlado del sistema (resistencia elctrica conectada a una fuente de alimentacin con voltaje estabilizado).

4.- Dispositivo de mezcla de componentes y de agitacin para asegurar la uniformidad de la temperatura en la mezcla.IX. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Van Wylen, Gordon J.Fundamentos de Termodinmica

Raymond Chang QumicaRelacin joule

E = jQ

Q = 0.24VIt

CONSERVACION DE LA ENERGIAPgina 1

_1142795827.unknown

_1442849852.unknown