UNIVERSIDAD NACIONAL DE JULIACA Creada por Ley N°29074

LABORATORIO DE FÍSICA UNAJ

TERMODINAMICA Pág. 1

LABORATORIO N°5

EFECTO JOULE

I. OBJETIVO

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

II. FUNDAMENTO TEORICO

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

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

electricidad, debe 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 P=IV donde I es la corriente eléctrica en amperios, y V es la diferencia de

potencial en voltios. La energía eléctrica es la potencia multiplicada por el tiempo, de modo

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

en el agua puede escribirse como donde Q es la energía térmica en

joules, m es la masa del agua, es el calor específico del agua y es el cambio de

temperatura del agua.

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o

recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así

como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el

aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica

del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la

cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un

objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir

midiéndose según se va enfriando el objeto.

Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua

del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería

igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, sólo hay que sumar al agua la

cantidad de equivalentes.

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En el experimento, usted medirá la cantidad de energía eléctrica convertida en energía térmica

mediante una bobina eléctrica calefactora sumergida en agua, como se muestra en la figura 1.

Al mismo tiempo, medirá la cantidad de calor absorbido por una masa conocida de agua. El

calorímetro, tiene un calor específico mínimo y no absorberá energía térmica. Sus resultados

deben indicar que la energía térmica transferida al agua es igual a la energía eléctrica

consumida en la bobina.

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía resultante de la existencia de una

diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre

ambos cuando se les coloca en contacto por medio de sistemas físicos y químicos por la

facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes

vectoriales como la velocidad o la posición.

Matemáticamente, la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa

de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo

considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Se denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor. Puede ser obtenida de la

naturaleza o del sol, mediante una reacción exotérmica, como la combustión de algún

combustible; por una reacción nuclear de fisión o de fusión; mediante energía eléctrica por

efecto Joule o por efecto termoeléctrico; o por rozamiento, como residuo de otros procesos

mecánicos o químicos. Asimismo, es posible aprovechar energía de la naturaleza que se

encuentra en forma de energía térmica, como la energía geotérmica o la energía solar

fotovoltaica.

III. EQUIPOS Y MATERIALES

Cables de conexión

Fuente regulable de voltaje DC

Voltímetro

Amperímetro

Interruptor

Bombillos

Cables de conexión

Calorímetro y Termómetro

Balanza

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Cronómetro

Sensor de temperatura

IV. PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO 1

1. Medir la masa del calorímetro

2. Anotar la temperatura ambiente.

3. Llenar aproximadamente dos tercios del vaso con agua.

4. Medir la masa del vaso más el agua. Registre el valor.

5. Calcular la masa del agua y anotar ese valor

6. Armar el circuito, como se muestra en la figura . 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 más agua y repita el paso

anterior.

7. Después de que el profesor haya revisado el circuito, cierrar el interruptor. Ajustar el

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

8. Agite el agua suavemente con el termómetro. Léala temperatura inicial del agua. Anote

este valor. Prepárese para tomar el tiempo de sus lecturas. Cerrar el interruptor.

9. Cada minuto lea los valores en el amperímetro y en el voltímetro y regístrelos. De vez en

cuando agite suavemente el agua y, si es necesario, ajuste el reóstato para mantener un

flujo de corriente constante.

10. Observe continuamente la temperatura del agua para determinar cuando alcanza los

grados por encima de la temperatura ambiente que tenia por debajo de esta antes de iniciar

el experimento.

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

temperatura final del agua en su informe

12. Determinar la corriente promedio y el voltaje promedio. Registrar estos valores.

Masa del calorímetro

Masa del agua y el vaso

Masa del agua

Temperatura inicial del agua

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Temperatura ambiente

Temperatura final del agua

Cambio en la temperatura del agua

Corriente promedio

Voltaje promedio

Anote los valores de corriente y voltaje obtenidos durante la realización de este experimento.

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

1 1.6 4.1

V. CUESTIONARIO

1. ¿Que es el efecto Joule?

2. Determine la energía eléctrica consumida en la resistencia, empleando E=IVt

3. Determine el calor absorbido por el agua, utilizando 𝐐𝐰 = 𝐦𝐰𝐜𝐰∆𝐓𝐰, donde 𝐜𝐰 4.18

J/𝐠.𝟎c

4. Encuentre la diferencia relativa entre la energía eléctrica consumida y la energía térmica

absorbida por el agua. Utilice la diferencia %=(E−𝐐𝐰)(100%)/E.

5. 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.

6. ¿La concordancia obtenida fue suficiente para indicar que, en condiciones ideales, usted

hubiera encontrado una concordancia exacta en el intercambio de energía? Explique su

respuesta.

7. ¿Qué porcentaje de la energía eléctrica fue convertida en energía térmica en el agua?

8. Un bombillo eléctrico tiene una eficiencia cercana al 16%. ¿Cuántos Joule de energía

térmica emite el bombillo cada segundo?

9. 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 𝟐𝟏𝟎c, hasta el punto de

ebullición.

10. Menciones principales aplicaciones del efecto Joule

VI. CONCLUSIONES

VII. BIBLIOGRAFIA