UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE LA TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN DEPARTAMENTO DE FÍSICA INGENIERÍA CIVIL FÍSICA II LABORATORIO: CAL ORI ORI M ETRÍA EF ECTO JOUL JOUL E EN UN CI RC RCUI UI TO ELÉCTRI CTRI CO
INTEGRANTES: 1. Yanier José Martínez Martínez
#2014-0421U
2. Jonathan Alejandro Pineda Medina
#2014-0610U
3. Byron José Solís Salgado
#2014-1405U
4. Jonathan Noel Osejo Palacios
#2014-0624U
GRUPO: IC-21-N
FECHA DE REALIZACIÓN: 28/11/2015
PROF.: Ing. Nubia Rivera
FECHA DE ENTREGA: 12/12/2015
1. INTRODUCCIÓN El laboratorio realizado en la clase de física consistió en determinar la energía presente en un circuito formado por una resistencia de 20 ohm y un calorímetro, previamente construido. Antes de determinar la energía eléctrica, será necesario calcular la capacidad calorífica de nuestro calorímetro; para hacer esto de manera experimental, tomaremos tres lecturas distintas y promediaremos los resultados obtenidos. Una vez obtenida la capacidad calorífica de nuestro calorímetro, procederemos con la parte del efecto joule, que corresponde en medir aproximadamente la cantidad de energía eléctrica transmitida en nuestro sistema. Finalmente, trataremos de comparar los resultados obtenidos en el laboratorio con los resultados teóricos aplicando las ecuaciones vistas durante la clase de física. Este laboratorio se realizó en las instalaciones de la universidad el día sábado 28 de noviembre del presente, a las 2:30 pm
2. MARCO TEÓRICO 2.1. EFECTO JOULE: Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor1 2 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. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuas colisiones con los núcleos atómicos y como consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio cable Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera
La potencia P disipada en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que está sometido multiplicada por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La energía desarrollada E es el producto de la potencia P por el tiempo t transcurrido, luego la energía E es el producto de la tensión V por la intensidad I y por el tiempo t Si a esta expresión añadimos la Ley de Ohm tendremos
}{
La energía desarrollada es igual al cuadrado de la intensidad por la resistencia y por el tiempo, o lo que es lo mismo, el cuadrado de la tensión dividido por la resistencia y por el tiempo
2.2. CALORÍMETRO 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. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. 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. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.
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, solo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.
2.3. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor. Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación de la energía es la llamada primera ley de la termodinámica, la cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de calor (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema (ΔU) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores:
3. MATERIALES Y EQUIPOS -CALORÍMETRO. Nuestro calorímetro está compuesto por dos tarros de distintos tamaños (tarros de leche) Entre los tarros, rellenamos con aislante y sellamos con plastilina Se construyó una tapa de madera para evitar escape de calor, a esta se le hicieron tres agujeros por donde se colocarán los alambres de cobre calibre 8, que a su vez, irán conectados a una resistencia de 20 ohm. -TERMÓMETRO -BIKER -CALENTADOR -AMPERÍMETRO -LIBRETA
4. PROCEDIMIENTO
A. B. C. D. E. F. G. H. I. J.
Agregamos en el calorímetro 200 gr de agua fría y se registra su temperatura. Con ayuda de un biker se toma la temperatura de 200 gr de agua caliente. Mezclamos el agua fría con el agua caliente en el calorímetro y registramos la temperatura de equilibrio. Repetimos este proceso 2 veces más. Variando la cantidad de agua (150 gr y 100 gr), registrando en la tabla todos los datos obtenidos. Con los datos obtenidos se procede a determinar el promedio de la capacidad calorífica. Para la parte del efecto joule; conectamos los alambres de cobre a una resistencia de 20 ohm y a un amperímetro. Agregamos 400 gr de agua fría al calorímetro y registramos su temperatura. Introducimos la resistencia junto con el agua, dentro del calorímetro y cronometramos 12 min. Inicialmente la diferencia de potencial y la corriente presentes en el sistema es cero. Pasados los 12 min, hacemos lectura de temperatura, diferencia de potencial y corriente eléctrica. Con los datos obtenidos procedemos a calcular la energía eléctrica transmitida por el sistema.
5. DATOS Y CÁLCULOS Tabla de datos para el cálculo de la Capacidad Calorífica C
N° 1 2 3
200 150 100
27 24 25
200 150 100
73 50 62
47 35 39
) 251.16
C (
228.33 269.09
[] Promedio de Capacidad Calorífica: C = _249.53
Este resultado representa la capacidad calorífica de nuestro calorímetro Tabla de datos para el efecto Joule Ω
i = 0.9 A
R = 20
C = 249.17
t = 12 min
Utilizando las ecuaciones anteriores podemos determinar la cantidad aproximada de energía transmitida por el sistema:
( )
6. CONCLUSIÓN El laboratorio consistió en medir la cantidad de energía eléctrica presente en nuestro sistema. Para esto debimos determinar, de forma experimental, la capacidad calorífica de nuestro calorímetro. Este valor es aproximadamente . Con este valor, procedimos a determinar la energía presente en el sistema.
Cabe mencionar que los resultados obtenidos son una aproximación, ya que posiblemente se hayan presentado algunos errores en las lecturas de los datos. Así, si determinamos la energía con la ecuación
Obteniendo una diferencia de
.
A pesar de esto, se logró poner en práctica los conocimientos teóricos aprendidos en la clase; determinando la capacidad calorífica del recipiente usado como nuestro calorímetro y la energía presente en el sistema formado.
7. ANEXOS
