ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA DE LABORATORIO No. 4 EFECTO JOULE

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
PRÁCTICA DE LABORATORIO No. 4
EFECTO JOULE
Equivalente Mecánico del Calor
1.
1.1
1.2
1.3
OBJETIVOS
Verificar experimentalmente que una corriente eléctrica, que circula a través de un
material, disipa energía en forma de calor.
Observar que la energía eléctrica se puede transformar en energía térmica.
Obtener, en el laboratorio, el “Equivalente Mecánico del Calor”.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.7.1.
2.7.2.
2.7.3.
2.7.4.
CONCEPTOS A AFIANZAR
Ley de Joule.
Equivalente Mecánico del Calor.
Potencia Eléctrica.
Voltaje.
Corriente Eléctrica.
Resistencia Eléctrica.
Conceptos Previos:
Conservación de Energía (Calorimetría).
Calor.
Capacidad Calorífica.
Calor Específico.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
TÉCNICAS EXPERIMENTALES
Montaje de la práctica a cargo del estudiante.
Manejo de Cifras Significativas.
Análisis de Incertidumbres por Métodos Estadísticos.
Graficación de Datos Experimentales.
Ajuste por Regresión Lineal.
4.
TIEMPO NECESARIO PARA EL DESARROLLO
2 Horas.
5.
5.1.
EQUIPO REQUERIDO
Calorímetro con resistencia
eléctrica incluida.
Termómetros.
Balanza.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
Fuente de Voltaje.
Amperímetro.
Voltímetro.
Cronómetro.
6.
6.1.
PROCEDIMIENTO
Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro
Mida la masa del vaso de aluminio del calorímetro; agréguele agua a temperatura
ambiente hasta una cuarta parte (100 ml aproximadamente) de su volumen y
determine la masa de agua. Mida la temperatura del calorímetro completo y
agregue agua caliente hasta ocupar ¾ partes (300 ml aproximadamente) del
volumen del calorímetro (400 ml aproximadamente) y ciérrelo rápidamente. (La
temperatura inicial del agua caliente debe ser determinada previamente con ayuda
de otro termómetro). Agite el calorímetro con cuidado y determine la temperatura
de equilibrio de la mezcla (la máxima temperatura alcanzada después de la mezcla.).
Posteriormente halle la masa de agua caliente agregada. De la ecuación de balance
energético calcule la capacidad calorífica del calorímetro en cal/ºC (con resistencia
y termómetro incluidos). Consigne los datos en la Tabla 1.
Recomendación: Mantenga el termómetro dentro del calorímetro durante toda la
práctica, excepto cuando este haciendo medidas de masa.
6.2.
Determinación del Equivalente Mecánico del Calor
Haga el montaje de la Figura 1, con el calorímetro vacío y seco. Agregue suficiente
agua a temperatura ambiente para que queden inmersos tanto el bulbo del
termómetro como la resistencia del calorímetro. Mida la masa de agua agregada.
Teniendo el calorímetro cerrado encienda la fuente y fije un voltaje a través de la
resistencia (del orden de 20 V); lea la temperatura del sistema y simultáneamente
encienda el cronómetro. Observe como se incrementa la temperatura del sistema.
Agite permanentemente para mantener homogénea la temperatura. Cada vez que la
temperatura se incremente un número determinado de grados (2 oC a 3 oC) registre
el tiempo transcurrido con el cronómetro en el modo "split" en la Tabla 2.
Asegúrese de registrar también la corriente en el circuito. Cuando haya recogido
alrededor de 20 datos apague la fuente y proceda a analizarlos.
Tenga en cuenta que el calor Q entregado al sistema debe ser expresado en calorías
y dicho calor proviene de la potencia P disipada en la resistencia; donde la
potencia esta medida en el sistema internacional de unidades. En consecuencia el
equivalente mecánico es:
P. t
j
, donde t es el tiempo.
Q





A partir de los datos de temperatura del agua en función del tiempo, determine
el calor total entregado (en calorías) y consígnelo en la Tabla 2. Tenga en cuenta,
además del calor específico del agua, el calor específico del calorímetro.
Haga una gráfica del calor total entregado (en calorías) en función del tiempo.
De la pendiente de esta gráfica deduzca j, el equivalente mecánico del calor.
Utilice la técnica de regresión lineal para determinar j y su correspondiente
incertidumbre.
Compárelo con el valor nominal y discuta el resultado.
+ V
A
TAPA
AGUA
TERMÓMETRO
R
VASO DE
ALUMINIO
AIRE
Figura 1
7.
TIPO DE INFORME REQUERIDO
Preinforme según formato (ver última página) a entregar al terminar la práctica.
Formato de artículo para revista en el informe completo. Máximo 5 páginas
incluidas las gráficas.
8.
8.1.
PREGUNTAS
¿Por qué es recomendable mantener el termómetro dentro del calorímetro durante
toda la práctica?
¿Por qué el agua como mínimo debe tapar tanto la resistencia como el bulbo del
termómetro?
Preguntas adicionales que el profesor considere convenientes.
8.2.
8.3.
9.
9.1.
9.2.
BIBLIOGRAFÍA
S. Lea and J. Burke, PHYSICS, The Nature of Things,
Brooks/Cole Publishing Company, 1997,
Temas: 19.3.1, 20.4.1, 20.4.2 20.4.3 y 26.1.
D.C., Baird, EXPERIMENTACIÓN, Una Introducción a la Teoría de Mediciones
y al Diseño de Experimentos,
Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 1991,
Temas: 6.7, 6.8, 6.9, 6.10 y Apéndice 2.
Masa del Masa del agua
vaso de
a temperatura
Al (g)
ambiente (g)
Temperatura
ambiente (°C)
Temperatura
inicial del agua
caliente (°C)
Temperatura
de equilibrio
(°C)
Masa agua
caliente (g)
Capacidad
calorífica del
calorímetro
(cal/ºC)
Tabla 1
Masa del agua agregada (g):
Capacidad calorífica del agua (cal/°C):
Capacidad calorífica total (cal/°C):
Voltaje seleccionado (V):
Corriente (A):
Potencia disipada en la resistencia (W):
Tiempo después Temperatura
de encender la
del agua (°C)
fuente (s)
0
Calor total
entregado
(cal)
0
Tabla 2
Equivalente Incertidumbre
mecánico del relativa y (%)
calor (J/cal) de error
Preguntas (Secc. 8), análisis y conclusiones
ADJUNTAR GRÁFICA DE CALOR
vs. TIEMPO