UNIVERSIDAD DEL VALLE EN LA ASIGNATURA DE EXPERIMENTACIÓN EN FÍSICA 2 SANTIAGO DE CALI, 2 DE ABRIL 2014
RESUMEN: En esta práctica de laboratorio estudiamos la Ley de Joule, que consiste en Que, la energía eléctrica se transforma en calor (resistencia). En el efecto Joule, se comprobó el hecho de que un conductor se calienta al ser recorrido por una corriente eléctrica, esta conversión de corriente eléctrica en calor. Las energías se relacionan en una gráfica de energía calorífica vs. Energía eléctrica y aquí comprobamos que la corriente del circuito es directamente proporcional al valor disipado. INTRODUCCIÓN: Teniendo en cuenta que el número de cargas que entran al resistor es el mismo que sale, por conservación de la carga, podemos decir que el calentamiento se debe a la pérdida de energía que cada c ada carga sufre al pasar por el resistor. Para medir esta energía podemos utilizar un calorímetro con agua el cual se s e supone aislado térmicamente. Tenemos que P=VI (Ley de Joule), donde P eléctrica en calor, calor, en el resistor. La energía eléctrica cedida en el tiempo t es: W = ∫ Pdt = VIt, Por conservación de la energía tenemos que:
W = (VI) t = Q, y Q = [maca + mccc (Balance térmico), donde: ma = masa del agua. Ca = calor específico del agua. mc = masa del calorímetro. cc = calor específico del calorímetro. t = cambio en la temperatura.
Como la energía eléctrica esta dada en Joules y la calorífica en calorías, W=Q, no es consistente numéricamente, entonces podemos calcular cuantos Joules hay por caloría: J = [W/Q]. Entonces el fenómeno por el cual la energía eléctrica se transforma en calorífica, es el efecto Joule. La cantidad de calor producida por una corriente eléctrica es:
Proporcional a la duración del paso de la corriente.
Directamente proporcional al cuadrado de la intensidad.
Directamente proporcional al valor de la resistencia.
MODELO TEÓRICO Si se acepta que el número de cargas c argas que entra al elemento resistivo es el mismo número que sale de él (conservación de la carga), el efecto del calentamiento se debe entonces a la pérdida de energía que cada carga sufre cuando pasa a un resistor. Una manera de medir esta energía es transferirla a un sistema que pueda absorberla sobre el cual se puedan medir efectos. La energía potencial eléctrica es:
Q (sistema) = M (agua).C (agua).T + M(calorímetro).C(calorímetro).T
Ep = qV
J = W/Q = Ep/Q
Si se divide por el tiempo tenemos trabajo por unidad de tiempo llamada Potencia Eléctrica.
J = 4.18 j/cal
Por la ley fundamental de la conservación de la energía: Energía Potencial = Q (agua) + Q (calorímetro) Se divide en equivalente mecánico de calor como:
Ep/t = qV/t = IV Como se conoce I, V y el tiempo, se conoce la energía potencial eléctrica.
Donde Q es el número de calorías obtenidas por la disipación de la energía.
De otro lado se tiene el sistema si stema calorímetro + agua:
DATOS OBTENIDOS: Tabla 1 TEMPERATURA 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
TIEMPO 4 31,87 83,15 131,01 184,17 284,11 278,89 358,1 402 465,63 523
CORRIENTE (I) 2,75 2,74 2,76 2,74 2,79 2,77 2,78 2,77 2,76 2,79 2,79
VOLTAJE (V) 4,2 4,2 4,23 4,2 4,21 4,23 4,23 4,25 4,25 4,27 4,25
Agua: (200.05 – 46.58) = 153.47 g Tabla 1 Calorímetro
: 46.58 g
Temperatura del Agua : 27.1 Grados Centígrados T. Aluminio : 0.22 Cal/gr*c
Tabla 2 TEMPERATURA 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
TIEMPO 0 77,19 145,45 342,53 396,96 453,07 513,17 564,18 595,99 674,6 730,07
CORRIENTE (I) 0 2,73 2,73 2,71 2,77 2,76 2,77 2,77 2,7 2,76 2,75
VOLTAJE (V) 0 4,18 4,17 4,15 4,22 4,2 4,21 4,22 4,22 4,19 4,23
Agua: (259.77 – 46.58) = 213.19 g To = 27 Grados Centígrados
Tabla 3 TEMPERATURA 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
TIEMPO 48 83,38 124,95 179,58 233,41 278,42 316,5 371,61 426,27 478,29
Agua: (302.13 – 46.58) = 255.55 To =27 Grados Centígrados
CORRIENTE (I) 3,55 3,59 3,59 3,58 3,64 3,62 3,63 3,58 3,6 3,62
VOLTAJE (V) 5,44 5,5 5,51 5,47 5,55 5,53 5,55 5,48 5,51 5,55
Análisis y resultados. Caso 1
Caso 2:
Temperatura vs Tiempo 40
) C ° ( 30 a r u t 20 a r e p m10 e T
y = 0.0187x + 27.335 R² = 0.9915
0
0
100
200
300
400
500
600
500
600
Tiempo (s)
Caso 3:
Temperatura vs Tiempo 40 35
) C ° 30 ( a r 25 u t 20 a r e p15 m e 10 T
y = 0.0207x + 27.246 R² = 0.998
5 0
0
100
200
300
400
Tiempo (s)
Analizando la linealidad de la gráfica, decimos que con el valor obtenido para el coeficiente de correlación r = 0.99, en la mayoría de los casos podemos deducir que se asemeja asemeja al coeficiente de relación de una recta.
Cálculos de cantidades: Mc = magua Cagua + mcal Ccal
Mc1 = (153.47 = (153.47 gr * 1.00 cal/gr*c) + (46.48 gr * 0.22 cal / gr*c) Mc1= 163.69 cal/c Mc2 = (213.19 gr * 1.00 cal/gr*c) + (46.48 gr * 0.22 cal / gr*c) Mc2 = 223.4156 Mc3 = (255.55 gr * 1.00 cal/gr*c) + (46.48 gr * 0.22 cal / gr*c) Mc3 = 265.775 Producto VI Promedio Caso I: V*I prom: 10,4786
* Desviación Estándar: 0,96978
Caso II: V*I prom: 11,7033
* Desviación Estándar: 0,016438958
Caso III V*I prom: 19.8333
* Desviación Estándar: 0,088889505 Porcentaje de error J.exp
J = W/Q
W = VI *t Q = ∑ Mc T
CASO 1 to=0 To=27,1 W : joule : joule Q : cal *c 0 -16,369 -16 ,369 880,845966 147,321 1655,81735 311,011 3852,26365 474,701 4640,22422 638,391 5251,98744 802,081 5984,43459 965,771 6594,92569 1129,461 6790,71006 1293,151 7801,34424 1456,841 8492,53928 1620,531 ∑ = 8822,891
CASO 2 to=0 To=27 W : joule : joule Q : cal *c 46,2 0 366,75996 223,4156 22 3,4156 970,75962 970 ,75962 446,8312 1507,66308 670,2468 67 0,2468 2163,2424 893,6624 3328,94528 1117,078 11 17,078 3279,57907 1340,4936 4215,73225 1563,9092 4715,46 1787,3248 5547,18988 2010,7404 6201,4725 2234,156 ∑ = 12287,858
CASO 3 to=0 To=27 Q : cal *c W : joule 926,976 265,755 1646,3381 531,51 2471,62346 797,265 7 97,265 3516,64331 1063,02 4715,34882 1328,775 5573,57861 1594,53 6376,36725 1860,285 7290,39362 2126,04 8455,49172 2391,795 9609,32439 2657,55 ∑ =14616,525
CALOR J: JOULE/CALORÍA Caso 1 Caso 2 Caso 3 0 0,003759809 0,063419725 0,099836433 0,029847347 0,112635397 0,187672878 0,079001533 0,169097885 0,436621471 0,122695353 0,240593664 0,525930131 0,176047152 0,322603958 0,595268313 0,270913391 0,381320362 0,678284996 0,266895912 0,436243721 0,747478994 0,343081133 0,498777488 0,769669495 0,383749552 0,578488507 0,884216323 0,451436685 0,657428793 0,962557429 0,504682956
Inverso de m exp 1/m.exp = (J/VI)*Mc Inverso Masa Experimental Caso 1 Caso 2 Caso 3 0 0,07272727 0,87279295 1,43209648 2,69851577
0,57945455 1,51181818
1,51611409 2,27198916
6,35491652
2,38199999
3,26533663
7,36474953
3,34854546
4,24413756
8,40575139
5,16563636
5,06256278
9,52077922
5,07072727
5,75497853
10,4671614
6,51090908
6,75705393
11,0573284
7,30909091
7,75094691
12,5157699 13,544898
8,466 9,50909091
8,69683627
Caso 1 Mexp= 0.0133
1/Mexp = 75.19
Caso 2 Mexp= 0.0187
1/Mexp = 53.47
Caso 3 Mexp= 0.0207
1/Mexp = 48.30
CAUSAS DE ERROR:
Debido a que el calorímetro no se encontraba completamente aislado, se presentaban factores como la temperatura t emperatura ambiente obviamente alteraba la temperatura del agua en el calorímetro.
La temperatura no fue uniforme durante la práctica, ya que, el agitador absorbía el calor y su función no estuvo bien desempeñada
Las incertidumbres de los instrumentos de medida, además del error visual.
La incertidumbre de los datos aumenta en los cálculos cálcul os por la aproximación en los decimales
El hecho de no agitar constantemente impedía obtener una distribución uniforme y equilibrada del calor en el agua.
Hay que tener en cuenta que el calor específico tanto del aluminio como del agua varían según la temperatura a la cual se encuentran.
CONCLUSIONES:
La relación entre el calor ganado por su medio más cercano y la energía potencial eléctrica perdida de la resistencia se transforma en calor.
La cantidad de calor producida por el paso de la corriente a través de un conductor es proporcional al cuadrado de la intensidad i ntensidad de la corriente, a la resistencia eléctrica del conductor ya al tiempo que circula la corriente.
La energía total de un sistema aislado aisl ado permanece constante. Por sistema aislado debe entenderse un conjunto limitado que no puede pu ede ceder energía al medio exterior ni tampoco recibirla de él.
BIBLIOGRAFÍA:
Laboratorios Anteriores
Guías de Laboratorio de Física II, Universidad del Valle, Pg 17-24
