equivalente mecanico del calor
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EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
[email protected], [email protected] de ingeniería civil
Departamento de físicaIngeniería civil
Laboratorio de hidráulica-fluidosUniversidad del cauca
Popayán
Resumen: Inicialmente vertimos en el calorímetro 700 cm3 de agua, tapamos y agitamos; cuando se obtenga una temperatura estable, la medimos con el termómetro. Después, fijamos la resistencia eléctrica de inmersión y se sumerge en el calorímetro, sin hacer contacto con el termómetro, dicha resistencia va conectada a un volti-amperimetro, y este a su vez a una red eléctrica de 110V. De aquí, iniciamos el proceso de tomar cada 10 segundos, datos simultáneos como son el voltaje y la temperatura del agua, hasta llegar a una temperatura de 25°C, donde se abre el circuito, y se observa hasta que deje de subir la temperatura, obteniendo así, la temperatura de estabilización para determinar el equivalente de calor respectivo.
Keywords: caloría, calor especifico, capacidad calorífica, energía mecánica, energía térmica.
1. INTRODUCCIÓN
Históricamente se tardó bastante tiempo en comprender cuál es la naturaleza del calor. En un primer momento se pensaba que el calor era un fluido (denominado calórico) que impregnaba los cuerpos y era responsable del calor que éstos intercambiaban al ser puestos en contacto.
En el siglo XIX, Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. Antes del
Bryan Bolaños, Andrés Mauricio Ramírez, Tatiana Delgado, Daniela Mora, Pablo Tejada.
experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas eran también distintas. La unidad de calor que se empleaba era la caloría
El principio de la conservación de la energía nos plantea la equivalencia entre calor y trabajo mecánico. Para los casos en donde suponemos que toda la energía mecánica puede convertirse en calor, podemos obtener experimentalmente el valor numérico de esta relación o equivalencia. El trabajo es normalmente medido en unidades de Julios (Joule) y la energía térmica o calor es medido en unidades de calorías. La equivalencia no es inmediatamente obvia y debe determinarse experimentalmente. Esta relación de equivalencia es llamada “Equivalente Mecánico del Calor”.
2. MARCO TEÓRICO
Para elevar la temperatura de un cuerpo o sistema es necesario ponerlo en contacto con otro cuerpo de temperatura mayor o bien realizando trabajo mecánico sobre este, esta energía mecánica si se transforma en energía térmica se mide en calorías; se encontró la relación entre las caloríficas y las unidades de Joule mediante una experiencia en la cual la energía mecánica es transformada íntegramente en energía térmica.
Joule determino la equivalencia de 4.186 Julios = 1 cal, a través de un aparato en el cual unos pesos que caen pierden energía mecánica, haciendo girar un conjunto de paletas dentro de un recipiente que contiene agua, originando calentamiento del agua. Actualmente sigue siendo aceptado este resultado.
Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa como:
C= Q∆ T
(1)
La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitud fundamental de la calorimetría, el calor específico.
Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K.
2.1 Calor específico
El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términos matemáticos, esta relación se expresa como:
C=Cm
= Qm ∆ T
(2)
Donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la capacidad calorífica, Q el calor aportado y DT el incremento de temperatura. El calor específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en julios por kilogramo y kelvin (J/kg·K). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual a:
Cagua=4184J
Kg. K=1
calKg . K
Del estudio del calor específico del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico del calor, ya que:
1 cal=4184 J , esdecir , 1J=0.24 cal
2.2 Calorimetría
La determinación del calor específico de los cuerpos constituye uno de los fines primordiales de la calorimetría.
El procedimiento más habitual para medir calores específicos consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición en un baño de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el sistema está aislado, cuando se alcance el equilibrio térmico se cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a la inversa.
Método de medida de calores específicos. Al sumergir un cuerpo en agua de temperatura conocida, cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor cedido por el cuerpo es igual al absorbido por el agua.
Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a la absorbida, se cumple que:
mc (T−T f )=ma Ca(T f−T a) (3)
Siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor específico, T la temperatura inicial del cuerpo, ma
la masa de agua, ca el calor específico del agua, Ta
la temperatura inicial del agua y Tf la temperatura final de equilibrio. Todos los valores de la anterior expresión son conocidos, excepto el calor específico del cuerpo, que puede por tanto deducirse y calcularse de la misma.
3. METODO EXPERIMENTAL
3.1 Materiales y equipo.
Calorímetro Termómetro Fuente volti- amperímetro (CD de 110 V) Resistencia eléctrica de inmersión Probeta Calentador eléctrico Balanza electrónica
3.2 procedimiento
Inicialmente, medimos una masa de agua (de 500 cm3) por medio de la probeta y la colocamos en el calorímetro junto con el agitador.Se procede a tomar la temperatura a la cual se estabiliza (T1) el agua dejando el termómetro en el calorímetro.Se fija una resistencia eléctrica de inmersión, luego se la sumerge sin que toque el termómetro.Ahora se conecta a la fuente el volti-amperímetro la resistencia de inmersión enseguida se conecta la fuente a la red de 110V.Se cierra el circuito y se toman los datos de tiempo, temperatura, voltaje y corriente simultáneamente cada 10 segundos hasta elevar la temperatura (T1) 250 más.
Después de que la temperatura se halla elevado los 25o se cierra el circuito y se observa hasta que temperatura aumenta la misma obteniendo con esto una temperatura final Tf.
4. RESULTADOS
4.1 Resultados obtenidos en el Procedimiento.
TABLA 1. Datos tomados durante la práctica.
N0 Obs. t(s) T(O) V(V) I(A)1 0 20 120 1.72 10 20 120 1.73 20 20 120 1.74 30 20 120 1.75 40 20.5 120 1.76 50 20.5 120 1.77 60 20.5 120 1.78 70 20.5 120 1.79 80 21.5 120 1.810 90 23.5 120 1.8
11 100 24 120 1.812 110 24 120 1.813 120 27 120 1.814 130 29 120 1.815 140 31 120 1.816 150 34 120 1.817 160 35.5 120 1.818 170 36 120 1.819 180 37 120 1.820 190 37 120 1.821 200 37 120 1.822 210 39 120 1.823 220 40 120 1.824 230 41.5 120 1.825 240 42 120 1.826 250 43 120 1.827 260 43.5 120 1.828 270 44 120 1.829 280 44 120 1.830 290 45 120 1.831 300 46 120 1.832 310 47.5 120 1.833 320 48 120 1.834 330 48 120 1.835 340 48 120 1.836 350 49 120 1.837 360 50 120 1.8
Temperatura final Tf = 54o
TABLA 2. Resultados obtenidos a partir de los datos obtenidos en la práctica como. Equivalente
mecánico del calor, energía.
N0 Obs. W(J) P(W) Q(cal) J(J/cal)
1 0 ----17392.29
2 0
2 2040 20417392.292
0.117
3 4080 20417392.292
0.234
4 6120 20417392.292
0.351
5 8160 20417392.292
0.469
61020
0 20417392.292
0.586
71224
0 20417392.292
0.703
81428
0 20417392.292
0.821
91728
0 21617392.292
0.993
101944
0 21617392.292
1.117
112160
0 21617392.292
1.241
122376
0 21617392.292
1.366
132592
0 21617392.292
1.490
142808
0 21617392.292
1.614
153024
0 21617392.292
1.738
163240
0 21617392.292
1.862
173456
0 21617392.292
1.987
183672
0 21617392.292
2.111
193888
0 21617392.292
2.235
204104
0 21617392.292
2.359
214320
0 21617392.292
2.483
224536
0 21617392.292
2.608
234752
0 21617392.292
2.732
244968
0 21617392.292
2.856
255184
0 21617392.292
2.980
265400
0 21617392.292
3.104
275616
0 21617392.292
3.229
285832
0 21617392.292
3.353
296048
0 21617392.292
3.477
306264
0 21617392.292
3.601
316480
0 21617392.292
3.725
326696
0 21617392.292
3.849
33 6912 216 17392.29 3.974
0 2
347128
0 21617392.292
4.098
357344
0 21617392.292
4.223
367560
0 21617392.292
4.346
377776
0 21617392.292
4.470
J(J/cal) promedio = 2.230
5. ANALISIS DE RESULTADOS.
Al realizar la comparación entre los resultados obtenidos y los valores teóricos encontramos un error demasiado grande por lo que nuestros resultados no son concluyentes.
5.1. Definiciones.
P : potencia consumida por la resistencia W: Energía eléctrica generada al cabo de
un tiempo t.
5.2 experimento de Joule.
El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía
causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro).
5.3 algunos ejemplos.
La energía eléctrica se transforma en energía luminosa y calor cuando se utiliza en un foco.
La energía de combustión de una vela se convierte en energía luminosa y calor.
La energía calorífica del carbón se convierte en energía cinética cuando mueve un tren y en calor.
6. CONCLUSIONES.
La energía en su mayoría tiene un equivalente mecánico sin que dependa del tipo de energía.
La principal razón de este fenómeno se explica bajo las condiciones de la primera ley de la termodinámica.
Aunque la cantidad de energía tiene un equivalente este no es exactamente igual debido a las pérdidas de energía que se presentan en el proceso.
REFERENCIAS
Sears, Zemansky, Young y Freedman. Física Universitaria. Volumen 1. Ed. Pearson. 12ava Edición.
J W Kane, M M Sterheim Fisica. Volumen 1 Ed. Jhon Wiley, Sons segunda edición.
Wilson Buffa. Fisica Volumen 1 Ed. Pearson educación, quinta edición.