Equivalente Mecánico del Calor en la figura 7.

Equivalente Mecánico del Calor
1. Engancha el aparato en la orilla de una tabla nivelada o banca como se muestra
en la figura 7.
2. Desatornilla la perilla negra y remueve el cilindro de aluminio. Coloca el
cilindro en un refrigerador o rodéalo con hielo, para llevar su temperatura al
menos 10°C debajo de la temperatura ambiente.
El cilindro es enfriado para que cuando sea calentado por fricción el punto
medio de la temperatura alta y baja sea la temperatura ambiente. Sin embargo,
en la primera parte del experimento, el calor será transferido del aire del cuarto
al cilindro. Así como el cilindro se calienta más allá de la temperatura ambiente,
el calor será transferido fuera del cilindro de regreso a la atmósfera del cuarto.
Dejando el cambio de temperatura en el cilindro que sea simétrica con respecto a
la temperatura del cuarto, la cantidad de calor transferido del y fuera del cilindro
y del cuarto debe ser aproximadamente igual.
3. Mientras el cilindro es enfriado, planea la variación de la temperatura deseada en
del experimento. Lo ideal, es que la variación de la temperatura del cilindro
fuera de 7 a 9° C debajo de la temperatura ambiente, y la misma cantidad arriba
de la temperatura ambiente. Aún así, mide y registra la temperatura ambiente,
determina y registra las temperaturas inicial y final que desees que el cilindro
alcance durante el experimento. (puedes registrar tus datos en el datasheet que se
provee al final de esta sección.)
4. Usando la tabla de resistencia vs. temperatura para el termistor, determina el
valor de la resistencia la cuál corresponderá a cada una de sus temperaturas que
registraste. (una tabla se encuentra en el aparato.) También determina la medida
de resistencia, la cual corresponde a 1° C debajo de la temperatura final. Tendrás
que darle vueltas mas lentamente cuando estés por llegar a esta temperatura, tal
que en el equilibrio la temperatura final será cerca de la temperatura final que tu
escogiste.
5. cuando el cilindro está suficientemente frío, deslízalo de regreso a la manija
giratoria. Asegúrate de que la cara dorada se encuentre en el lado interior del
aparato. También asegúrate que el cilindro haga contacto con las laminillas
conductoras, y después atornilla nuevamente la perilla negra.
6. Conecta los cables a los contactos banana como se muestra en la figura 8. ajusta
el multímetro a un rango apropiado de acuerdo a tus temperaturas.
7. Enrolla la cinta de nylon alrededor del cilindro de aluminio (de 4 a 6 vueltas)
como se muestra en la figura 9. Asegúrate de que la cinta se encuentra de forma
plana alrededor del cilindro, y que cuelgue. Amarra el extremo que cuelga de la
cinta a la masa de 10 kg como se muestra.
Nota: cuando el cilindro está frío, el agua puede condensarse en su superficie. Seca todo
el cilindro con un papel o una toalla antes de enrollar la cinta, para que todo el calor se
vaya en calentar el cilindro y no en evaporar el agua.
8. Pon el contador en cero.
9. checa el multímetro cuidadosamente. Cuando el valor de la resistencia
corresponde a tu temperatura inicial, empieza a darle vueltas a la manija en
dirección de las manecillas del reloj, (viéndolo del lado de la orilla del aparato).
Importante: Debe haber suficientes vueltas de la cinta alrededor del cilindro para
que al momento de darle vueltas sea solamente suficiente para levantar la masa
aproximadamente 3 cm del suelo, ¡No más! Para realizar esto, tienes que darle 3 o
4 vueltas a la cinta alrededor del cilindro. Agrega vueltas como sea necesario para
soportar la masa mientras le das vuelta a la manivela con solamente poca tensión
en la parte final de la cinta. Sujeta la liga a la parte final del a cinta. Ahora, sin
darle vuelta a la manivela, mientras mantienes la cinta ajustada por la liga amarra
el otro final de la liga a la argolla de la base del aparto. Si encuentras que la masa
que cuelga continúa levantándose más de 3 cm, quita una vuelta de cinta al
cilindro. Si la masa continúa en el suelo agrega otra vuelta de cinta alrededor del
cilindro.
Dale vuelta a la manivela rápidamente, hasta que la temperatura indicada por el
termistor es de 1° C debajo de tu temperatura final planeada, después continúa
dándole vueltas pero ahora mas lentamente, mientras observas el multímetro.
Cuando la temperatura alcanza tu valor esperado, detente. Continúa observando
el multímetro hasta que la temperatura alcance un máximo (la resistencia será un
mínimo) y empiece a bajar. Registra la mayor temperatura obtenida como tu
temperatura final.
10. Registra N, el número de vueltas completas.
11. Mide y registra m, la masa del cilindro de alumino.
12. Con un bernier mide D, el diámetro del cilindro de aluminio. Registra el radio
del cilindro en la hoja de trabajo (R=D/2)
Cálculos
Calculando W, el Trabajo realizado.
El trabajo realizado en el cilindro por darle vueltas es igual a , el torque actuando
en el cilindro, veces , el ángulo total en el cual el torque actúa. Sería difícil medir
directamente el torque. Sin embargo, ya que el movimiento del cilindro es mas o menos
constante durante todo el experimento, sabemos que el torque que provee la manivela
debe balancear el torque debido a fricción de la cinta. El torque que se provee por la
fricción de la cinta es fácilmente calculado. El cual es:
=MgR
donde M es la masa que cuelga de la cinta, g es la aceleración de la gravedad, y R es el
radio del cilindro.
Cada vez que se da una vuelta completa a la manivela , este torque es aplicado al
cilindro a través de un ángulo de 2. El trabajo total realizado es entonces:
W==MgR(2N);
donde M es la masa que cuelga de la cinta;
g es la aceleración de la gravedad (9.8 m/s^2);
R es el radio del cilindro de aluminio;
y N es el número total de vueltas de la manivela.
Calculando Q, el calor producido
El calor (Q) producido por fricción en el cilindro de aluminio puede ser determinado del
cambio de temperatura que se mide. Los cálculos son:
Q=mc(Tf-Ti);
donde m es la masa del cilindro de aluminio;
c es el calor específico del aluminio (0.220 cal/gC);
Tf es la temperatura final del cilindro;
y Ti es la temperatura inicial del cilindro, antes de mover la manivela.
Calculando J, el equivalente mecánico de Calor
J es la razón del Trabajo realizado a el Calor producido. Por lo tanto:
J=W/Q
Temperatura(C)
Resistencia ()
Temperatura del cuarto
Temperatura inicial (Ti)
Temperatura final (Tf)
Ideal (valor pre seleccionado)
Actual (mayor temperatura)
Tf -1C
(del vueltas mas lentamente)
Masa que cuelga de la cinta: M=
Masa del cilindro de Aluminio: m=
Radio del cilindro:R=
Numero de vueltas: N=
CALCULOS
Trabajo realizado en el cilindro: W =  = MgR(2N) =
Calor absorbido por el cilindro: Q = mc(Tf – Ti) =
Equivalente mecánico de Calor: J = W/Q =
(aceleración de la gravedad: g = 9.8 m/s^2; calor específico del Aluminio: c =
0.220cal/gC).
PREGUNTAS
1.- Compare su valor de J con el valor aceptado (checa tu texto).
2.- Discuta cualquier error que piense que afecte su resultado. ¿Son unos de estos
evitables?.¿Qué efecto tendrían en sus cálculos para J? Puede estimar la magnitud de
los efectos?
3.-¿Es posible experimentalmente que el Calor absorbido por el cilindro pueda ser
mayor que el trabajo realizado en el?.Explique.
4.-¿Tu valor de J se puede utilizar para determinar cuanta energía mecánica puede ser
producida de una cantidad de energía térmica específica? ¿Por qué si o por que no?