EQUIVALENTE MECNICO DEL CALOR

Naveda Daro y Nuez Edgar

Departamento de Ciencias Exactas Fsica

Universidad de la Fuerzas Armadas-ESPE

Sangolqu, Ecuador

Abstract

In the lab of mechanical equivalent of heat mounting and a circuit was connected to the calorimeter wich had a resistance; thus heat the system is provided by electric power. First initial temperature sy measured, then 3 values and current were taken for five minutes these values both voltage the current later to find the energy supplied by the source, finally it demigods final temperature was obtained system and the error rate for each value was determined.

Keywords: calories, Joule, voltage, power and resistance

Resmen

En la prctica de laboratorio de equivalente mecnico de calor se realiz el montaje de un circuito y se conect al calormetro el cual tena una resistencia; de esta manera se proporcion calor al sistema a travs de la energa elctrica. Primeramente se midi latemperatura inicial del sistema, luego se tomaron 3 valores de voltaje y corriente durante 5 minutos, al promediar dichos valores se obtuvo un valor tanto de voltaje como decorriente para posteriormente hallar la energa suministrada por la fuente, por ltimo semidi la temperatura final del sistema y se determin el porcentaje de error para cada valor.

Palabras clave: caloras, Joule, voltaje, energa y resistencia

1. Objetivo(s).

Analizar cmo encontrar experimentalmente la relacion entre calora y joule.

2. Marco Terico.

Frontera y alrededores

Aquella superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se le conoce como frontera. La frontera de un sistema es fija o mvil; la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como sus alrededores. Se puede llegar a clasificar en tres tipos: Rigida o mvil, Permable e Impermeable y Real o Imaginaria.

Calora

Se define la calora como la cantidad de energa calorfica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en 1{^\circ}C(desde\!14,5{^\circ}Ca15,5{^\circ}C) , a una presin normal de una atmsfera.

Una calora (cal) equivale exactamente a 4,1869 julios (J),1 mientras que una kilocalora (kcal) es exactamente 4,1868 kilojulios (kJ).

\!

\!

Temperatura

La temperatura de un sistema es una medida de la energa cintica media de las partculas que lo constituyen.

Equilibrio trmico

EselestadoenelqueseigualanlasTemperaturasdedoscuerposencuyascondicionesinicialesteniandiferentestemperaturas.AligualarselasTemperaturassesuspendeelflujodecalor,elsistema formadosporesoscuerposllegaasuEQUILIBRIOTERMICO.

Capacidad calorifica.

La capacidad calrica es la cantidad de calor que permite variar, en un grado, la temperatura de un cuerpo. Expresada en frmula:C=\frac{Q}{\Delta T} donde: C= capacidad calrica; Q= cantidad de calor;\Delta T = variacin de temperatura.

El calor especfico

es la cantidad de calor cedido o absorbido por un gramo de una sustancia, para variar su temperatura en un grado Celsius.c=\frac{C}{m} donde:c= calor especfico; C= capacidad calrica;m= masa

y el calor necesario para producir un cierto aumento de temperatura es:

Q=cm\Delta T

Mecanismos de transferencia de energia

La transferencia de energa puede realizarse por medio de trabajo o de flujo calrico. Si la transferencia de energa entre nuestro sistema y otro sistema o los alrededores ocurre sin transferencia de masa y sin diferencia de temperatura entonces la energa se transfiere por medio de trabajo. En cambio, si la transferencia de energa ocurre debido a una diferencia de temperaturas entonces la energa se transfiere por medio de un flujo calrico o calor, o sea que lo que se transfiere es energa y el flujo calrico o calor es el mecanismo por medio del cual ocurre la transferencia. En general los mecanismos de transferencia calrica se agrupan en dos tipos bsicos: conduccin y radiacin. La conveccin no se considera un mecanismo de transferencia calrica ya que lo que ocurre es que se est transportando la energa interna acumulada en los elementos de volumen debido al movimiento de la masa desde o hacia el volumen de control.

Conduccin

Es la transferencia de energa desde una parte de un cuerpo hacia otra parte del mismo cuerpo, o desde un cuerpo hacia otro que se encuentre en contacto fsico con el primero, sin que existan componentes de velocidad continua.

La ecuacin constitutiva que establece la relacin entre el flujo de calor por conduccin y el gradiente de temperatura que lo origina se conoce como ley de Fourier:

\underline{q}=-k\underline{\nabla}T

El coeficiente "k" recibe el nombre de coeficiente de conductividad trmica.

Radiaccin

Independientemente de la conduccin, todo cuerpo por encima del cero absoluto emite radiacin electromagntica que se transfiere a la velocidad de la luz sin necesidad de la existencia de un medio material.

La expresin que permite evaluar el flujo calrico en funcin de la temperatura del cuerpo recibe el nombre de ley de Stefan-Boltzmann:

q=\sigma T^{4}

Donde \sigma es la constante de Stefan-Boltzmann:

\sigma=1.355x10^{-12}\frac{cal}{s.cm^{2}k^{4}}

Calormetro.

La calorimetra es la ciencia de medir el calor de las reacciones qumicas o de los cambiosJoule fsicos. El instrumento utilizado en calorimetra se denomina calormetro. Fue mediante calorimetra que Joule calcul el equivalente mecnico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energa equivalen a 1 calora.

Voltaje

El voltaje es el diferencial elctrico entre ambos cuerpos, considerando que si ambos puntos establecen un contacto de flujo de electrones ocurrira una transferencia de energa de un punto al otro, debido a que los electrones (con carga negativa) son atrados por protones (con carga positiva), y a su vez, que los electrones son repelidos entre s por contar con la misma carga.

Corriente

La corriente elctrica o intensidad elctrica es el flujo de carga elctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 1 Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente elctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magntico.

Trabajo elctrico

Considrese una carga electrica puntual q en presencia de un campo elctrico \vec{E} . La carga experimentar una fuerza elctricaEsta fuerza realizar un trabajo para trasladar la carga de un punto A a otro B, de tal forma que para producir un pequeo desplazamiento dl la fuerza elctrica har un trabajo diferencial dW expresado como:

dW=\vec{F}\cdot d\vec{l}=q\vec{E}\cdot d\vec{l}

Por lo tanto, integrando la expresin (1) se obtiene el trabajo total realizado por el campo elctrico:

W=\int_{A}^{B}q\vec{E}\cdot d\vec{l}

Potencia elctrica.

La potencia elctrica es la relacin de paso de energa de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energa entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).

\!

\!

Experimento de Jolue. Descripcin

La experiencia de Joule pone de manifiesto la equivalencia entre dos formas de energa: la mecnica y la calorfica. Hasta este experimento, el calor se meda en caloras (cal). Una calora es el calor que precisa intercambiar un gramo de agua para que su temperatura cambie un grado. La energa mecnica se mide en julios (J). Un julio es la energa que se obtiene cuando una fuerza de un newton kilogramo produce un desplazamiento de un metro. Joule pone de manifiesto como la energa mecnica puede producir energa calorfica y lo hace siempre en la misma proporcin. Esta equivalencia de energas se llama equivalente mecnico del calor. Vale:

1 cal = 4,18 J

1 J = 0,24 cal

Equivalente mecnico de calor.

El principio de la conservacin de la energa nos plantea la equivalencia entre calor y trabajo mecnico. Para los casos en donde suponemos que toda la energa mecnica puede convertirse en calor, podemos obtener experimentalmente el valor numrico de esta relacin o equivalencia. El trabajo es normalmente medido en unidades de Julios (Joule) y la energa trmica o calor es medido en unidades de caloras. La equivalencia no es inmediatamente obvia y debe determinarse experimentalmente. Esta relacin de equivalencia es llamada Equivalente Mecnico del Calor

Describa el experimento de Joule.

Joule realiz su experimento utilizando una masa de aguaM_{a} a una temperatura inicial T_{0} , cuyo calor especfico es 1cal/\lyxmathsym{}C g, se calienta hasta una temperatura final Tf cuando unas paletas agitan el bao. El calor necesario Q es:

Q=M_{a}Ce(T_{f}\text{}T_{0})cal

Para mover esta paletas se aprovecha la energa mecnica de una masa M_{p} , que cae desde una altura h, mediante un hilo que acciona del movimiento de giro. La energa mecnica implicada es energa potencial Ep que se libera es:

Ep=M_{p}gh\! J

Joule demuestra mediante esta experimentacin que entre ambas formas de energa existe una relacin constante: el equivalente mecnico del calor:

Q / Ep = equivalente mecnico del calor

\!

3. Materiales y Equipos.

Calormetro elctrico

Fuente de c.a.

Balanza.

Restato.

Ampermetro de c.a.

Voltmetro de c.a.

Termmetro.

Cronmetro.

Probeta.

Conductores elctricos.

4. Pocedimiento de la Prctica.

4.1. Utilizando la balanza determine la amsa del calormetro de Al.

4.2. Vierta en el calormetro 200mL de agua.

4.3. Determine la temperatura inicial del agua y del calormetro.

4.4. Conectados el ampermetro y el restato, n serie y el voltmetro, en paralelo, respectivamente, alimente con la fuente de tensin alterna y al mismo tiempo ponga en marcha el cronmetro. Haga revisar el circuito elctrico.

4.5 Con el restato mantenga la corriente y la tensin constantes y anote sus valores. Desconecte la fuente luego de 5 minutos de operacin.

4.6 Determine la temperatura final del agua, luego de removerlo con el agitador.

4.7 Repita esta operacin variando la masa de agua y la tensin.

4.8 Registre los dtos en la hoja tcnica.

5. Tabulacin de datos:

Con los datos obtenidos elabore el siguiente cuadro de valores.

C_{H2O}=1kcal/kg .^{o}C

C_{A1}=0.22kcal/kg .^{o}C

\triangle Q=Calor ganado por el agua

\triangle Q"=Calor ganado por el calormetro

\!

\!

Ejemplos de clculos:

\triangle T=T_{f}-T_{0}

\triangle T=24{}^{o}C-20.5{}^{o}C

\triangle T=3.5{}^{o}C

\!

\triangle Q=m.C_{p}.\triangle T

\triangle Q=(0.0424Kg)\frac{1kcal}{kg.^{o}C}(3.5{}^{o}C)

\triangle Q=0.1484Kcalx1000=148.4cal

\!

\triangle Q"=m.C_{p}.\triangle T

\triangle Q=(0.1365Kg)\frac{0.22kcal}{kg.^{o}C}(3.5{}^{o}C)

\triangle Q=0.1051Kcalx1000=105.105cal

\!

Q_{T}=\triangle Q+\triangle Q"

Q_{T}=148.4cal+105.105cal

Q_{T}=253.505cal

\!

W=V.I.\triangle t

W=(4.73)(1)(300)

W=1419J

\!

W=JQ

J=\frac{W}{Q}

J=\frac{1419J}{253.505cal}

J=5.57J/cal

\!

e=[M2(T-T2)/(T1-T)]-M1

e=[0.1365(3.5)/(3.5)]-0.0424

e=0.16\%

\!

6. Preguntas.

A. Realice un grfico: Q-W y analice.

Anlisis matemtico:

W=JQ

W=(5.57)(253.505)

W=1417J

Anlisis dime dimensional :

W=JQ

J=\frac{W}{Q}

J=\frac{J}{cal}

Anlisis fsico:

A mayor calor que se le de a un sistema mayor sera el trabjo que se realice.

B.- Qu entiende por calor y temperatura. Explique con ejemplos sus diferencias.

Si toco una taza de caf caliente, entra energa por mi mano porque la taza est ms caliente que mi mano. Si toco un vaso de cerveza fro, la energa sale de mi mano y entra en el vaso. La energa transferida de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura se llama calor El calor es energa en trnsito. La materia no tiene calor, tiene energa interna (energa cintica de las molculas y otros tipos de energa)

Temperatura

La temperatura de un objeto indica la energa cintica interna media (debida al movimiento de las molculas) de un objeto. Cuando se calienta algo (slido, lquido o gas) sus tomos o molculas se mueven con ms rapidez Es decir, aumenta la energa cintica promedio de sus molculas.

Diferencias entre calor y temperatura

El calor es la energa total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energa molecular media. El calor depende de la velocidad de las partculas, su nmero, su tamao y su tipo. La temperatura no depende del tamao, del nmero o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeo de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene ms calor porque tiene ms agua y por lo tanto ms energa trmica total.

C.- Describa el principio fsico de los acondicionadores de aire. Que son los BTU?

El pricipio termodinmico es bastante sencillo:cuando un lquido se evapora, absorbe calor de sus alrededores, produciendo un enfriamiento. Esto puede apreciarse al salir de una piscina y recibir una brisa suave. El cuerpo sentir que el aire es mucho ms frio, pero en realidad es la evaporacin del agua en la piel lo que nos hace sentir asi. Otro ejemplo es al comer un dulce mentolado y luego tomar agua. la sensacin sera que el agua est mucho ms fria

Acondicionar aire es controlar la temperatura, humedad y calidad del ambiente por medio de enfriamiento, calentamiento, recirculacin, ventilacin y limpieza del aire. Componentes basicos:Compresor, condensador, evaporador.

BTU:

Una BTU representa la cantidad de energa que se requiere para elevar en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosfricas normales. Un pie cbico de gas natural despide en promedio 1000 BTU, aunque el intervalo de valores se sita entre 500 y 1500 BTU.

8. Bibliografa.