Universidad Nacional del Este- Facultad Politécnica.
Práctica de laboratorio de física II - Tema:
Efecto Joule y calorimetría.
Profesor: Dr. Alejandro Peruzzi..
Integrantes- Grupo A2: - Rolón, Claudia. - Rojas, Martha. - Asilvera, Airton. - Bogado, Guillermo. - Arzamendia, Jorge.
2do Semestre. Sección A. – Ingeniería Eléctrica
Resumen
La práctica de laboratorio realizada sobre el efecto Joule y la calorimetría tuvo como objetivo principal aplicar los fundamentos teóricos básicos del efecto Joule y la calorimetría para hallar el calor específico del agua mediante la medición de las magnitudes que influyen al determinar su valor. Utilizando la energía eléctrica para lograr que una resistencia disipe potencia y por consecuencia calor se logró variar la temperatura de cierta cantidad de agua lo suficiente como para tomar varias mediciones que permitieron determinar un valor aproximado del valor del calor específico de la misma. Estas mediciones se realizaron reiteradamente de manera que el valor medido sea el más cercano posible al valor real, pero al tener en cuenta los diversos factores que propician los errores en estos tipos de experimentos, el error porcentual del valor medido fue mayor al veinte por ciento. De igual manera quedaron en evidencia los fundamentos básicos utilizados para la realización de la práctica.
Abstract
The lab practice about the Joule effect and calorimetry has its main objective in apply basic theoretical foundations of Joule effect and calorimetry to find the specific heat of water by measuring the magnitudes influence that determinate its value. Using electricity to make a resistor dissipates power and therefore heat is able to vary the temperature of some water enough to take several measurements allowed to determine an approximate value of the value of the specific heat of it. These measurements were performed repeatedly so that the measured value is the closest possible to the real value, but to take into account the various factors leading to errors in these types of experiments, the percentage error of the measured value was greater than twenty percent . Similarly remained in evidence the basics used to perform the practice.
1- Introducción
La diferencia de temperaturas en general es indispensable para la vida, pues hace posible muchos procesos de los cuales no se puede prescindir, por ello es importante tener como mínimo algunos conceptos básicos sobre el calor y la temperatura, entender claramente cuáles son los aspectos que diferencian estos dos términos y como se relacionan entre sí, he ahí la importancia de esta práctica. El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. El calor puede ser transferido por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía calorífica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.
1.1-
Efecto Joule y calorimetría
La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría. Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría. Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule. La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediante su producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en organismos acuáticos o, también, urea en los terrestres). Antoine de Lavoisier indicó en 1780 que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales. Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para ha cer las mediciones. El efecto Joule establece que la cantidad de energía calorífica (Q) producida por una corriente eléctrica depende directamente de la potencia (P) disipada y del tiempo (t) transcurrido. Matemáticamente esto es:
Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se manifieste un incremento en la temperatura, ya que mientras dure la fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma. Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la diferencia entre calor y temperatura. La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente
transferencia de energía. En tanto el calor sensible es aquel que suministrado a una sustancia eleva su temperatura. La cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:
Donde es el calor específico del elemento que recibe el calor, m la masa y variación de temperatura que se experimentó.
la
El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma). El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor específico es constante. 1.2- Objetivos
-Aplicar la ley de Joule para determinar la cantidad de calor disipada por un elemento. -Utilizar los conceptos de calorimetría para hallar el calor específico del ag ua. -Lograr comprender la manera de aplicación del efecto Joule y la calorimetría. - Aprender a utilizar de manera correcta los instrumentos de medición requeridos en la práctica. 2- Método experimental
-Se procede a preparar los instrumentos y dispositivos necesarios para la realización de la práctica. -Se construye un circuito eléctrico que consta de una fuente de tensión regulable, utilizada para hacer fluir corriente a través de una resistencia sumergida en un recipiente ,herméticamente cerrado, que contiene agua, la potencia disipada por la resistencia en forma de eleva la temperatura del agua. -Con el transcurso del tiempo se realizan mediciones de la temperatura, intensidad de corriente y tensión del circuito. -Se utilizan los datos obtenidos de las mediciones para determinar el calor específico del agua que es el objetivo principal de la experiencia. 2.1- Materiales utilizados - Una fuente de tensión regulable. -Conductores varios.
-Dos multímetros electrónicos. -Un termómetro con precisión de décimas de grados Celsius. -Una resistencia eléctrica de 9 ohm. -Un recipiente hermético. -Una balanza con precisión de décimas de kg.
3- Datos experimentales y resultados
La ecuación calorimétrica es la que relaciona el calor específico con la cantidad de calor, masa y temperatura de un cuerpo o sustancia, utilizándola se puede hallar el valor del calor específico del agua que es el objetivo final de la práctica. Para ello se necesita encontrar una ecuación que determine el valor de la cantidad de calor del agua a lo largo del tiempo, esta ecuación es la ley de Joule que relaciona la potencia y el tiempo para determinar la cantidad de calor disipado por la resistencia eléctrica. La siguiente tabla contiene el valor promedio de la potencia con una variación de tiempo de 10 minutos. Tiempo (min) 0 a 10 11 a 20 21 a 30 31 a 40 41 a 50 51 a 60
Potencia media (W) 73,5 74,3 76,3 75,3 73,4 76,3
Q (cal) 44.100 44.580 45.780 45.180 44.040 45.780
En cada caso la potencia media está dada por:
∑ Entonces:
74,6+74,3+74,6+74,6+74,6+74,6+76,7+77,9+77,9+77,9
Teniendo todos los datos necesarios para calcular el calor específico del agua se reacomodan los términos de la ecuación calorimétrica de siguiente manera:
En las mediciones realizadas durante la práctica se cometieron errores por diversos motivos, el error porcentual sobre estas mediciones está dado p or:
| |
En el intervalo de 0 a 10 minutos el calor específico del agua es:
⁄ El error porcentual en este intervalo de tiempo es:
| | En el intervalo de 11 a 20 minutos el calor específico del agua es:
⁄ El error porcentual en este intervalo de tiempo es:
| | En el intervalo de 21 a 30 minutos el calor específico del agua es:
⁄ El error porcentual en este intervalo de tiempo es:
| | En el intervalo de 31 a 40 minutos el calor específico del agua es:
⁄
El error porcentual en este intervalo de tiempo es:
| | En el intervalo de 41 a 50 minutos el calor específico del agua es:
⁄ El error porcentual en este intervalo de tiempo es:
| | En el intervalo de 51 a 60 minutos el calor específico del agua es:
⁄ El error porcentual en este intervalo de tiempo es:
| |
3.1- Tablas y gráficos
Tabla de datos recogidos en la experiencia:
Tiempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Masa kg 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933
Temp. ◦C
24 24 25 25,2 25,4 26 26,2 28 28,5 29,5 33 35,1 32 32 41 42,5 42,5 43,2 44 44,5 45 46 49 52,7 54,5 55,5 57 58 58 58 59 59,5 60,5 61 62,5
Corriente Tension (A) (V)
2,81 2,89 2,9 2,9 2,9 2,9 2,91 2,91 2,92 2,92 2,92 2,92 2,92 2,92 2,92 2,92 2,92 2,93 2,93 2,94 2,96 2,97 2,98 2,98 2,98 2,97 2,98 2,98 2,98 2,97 2,97 2,97 2,97 2,96
24,8 25,4 25,4 25,5 25,4 25,4 25,4 25,5 25,5 25,5 25,5 25,5 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,7 25,7 25,7 25,7 25,7 25,7 25,6 25,7 25,7 25,6 25,6 25,6 25,6 25,6
P=v.i (W)
69,7 73,4 73,6 73,9 73,6 73,6 73,9 74,2 74,4 74,4 74,4 74,4 74,2 74,2 74,2 74,2 74,2 74,4 74,4 74,7 76,3 76,3 76,6 76,6 76,6 76 76,3 76,6 76,6 76 76 76 76 75,8
Tiempo (min) 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
Masa kg 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933 0,933
Temp. ◦C
63 64,5 65,5 66,8 68 69 69,8 70,5 71,2 72,5 73,8 78,8 75,5 76,5 77,5 78,5 79,5 80 81 82 83 84 85,5 86 87
Corriente Tension P=v.i (A) (V) (W) 2,96 25,5 75,8 2,95 25,4 74,9 2,96 25,5 75,5 2,93 25,2 73,6 2,93 25,1 73,3 2,92 25 73 2,93 25 73,2 2,93 25 73,2 2,93 25,1 73,5 2,93 25,1 73,5 2,93 25 73,2 2,93 25,1 73,5 2,93 25 73,2 2,93 25 73,7 2,94 25,1 73,8 2,96 25,2 74,6 2,96 25,1 74,3 2,96 25,2 74,6 2,96 25,2 74,6 3 25,5 74,6 3,01 25,5 74,6 3,01 25,5 76,7 3,03 25,7 77,9 3,03 25,6 77,9 3,03 25,7 77,9
Variación de Temperatura 100
y = 1.0999x + 23.071 R² = 0.9911
90 a r u t a r e p m e T e d e j E
80 70 60 50
Series1
40
Linear (Series1)
30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Eje de Tiempo
3.2- Análisis de los datos
Al comenzar la práctica se pudo observar que la velocidad con la cual aumentaba la temperatura del agua era relativamente más lenta que al final de la misma, la velocidad de aumento de temperatura al final de la práctica tuvo un comportamiento que se podría considerar constante ya que con cada medición se notaba la misma variación de temperatura. 4- Conclusión
Al finalizar este trabajo se llegó a la conclusión de que el método de ejecución de la práctica es bastante eficiente, porque aunque los errores generados con cada medición de temperatura se propagan en las demás mediciones, si se consideran las pérdidas de calor, se puede reflejar en la mayoría de las mediciones, que el valor real y el valor medido del calor específico son bastante similares. 5- Referencias bibligráficas
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule http://www.monografias.com/trabajos82/el-calor/el-calor.shtml
