7. efecto joule - Universidad del Cauca

7.EFECTO JOULE
TAREA DE PREPARACIÓN
Lea cuidadosamente la guía para está práctica, consulte la bibliografía dada al final de la
misma y responda las siguientes preguntas antes de la realización de la practica.
1.
Cuál es la expresión para la potencia disipada por una resistencia R por donde circula
una corriente I?
2.
Por una resistencia R circula una corriente de 3.25 amperios (A) y la caída de potencial
entre sus extremos es de 5.76 voltios (V). ¿Cuál es el valor de R? ¿Cuál es la potencia
(W) que disipa?
3.
Si sumergimos en agua la resistencia de la pregunta 2, Cuánta energía cede ella al agua
en 350 segundos? Exprese su respuesta en Joules (J) y en calorías (Cal).
4.
Dos resistencias de 2: son colocadas en serie y en paralelo a través de una batería de
10 V. Cuál es la potencia disipada en cada caso?
5.
Si la resistencia del problema 2 se coloca en un calorímetro de aluminio (Calor
específico del aluminio = 0.22 cal/g 0C) de masa 60 g, con 200 gramos de agua a 240C.
(Desprecie la calor específico de la resistencia). ¿Cuál es la temperatura del sistema
500 segundos más tarde, suponiendo que toda la energía eléctrica se convierte en calor
en el agua y en el calorímetro?
Experimentación Física II
61
7.EFECTO JOULE
1.OBJETIVOS
x Estudiar los procesos de transferencia de energía entre un circuito y el medio
ambiente.
x Determinar el factor de conversión entre la unidad de energía del Sistema
Internacional (Joule) y la unidad de energía llamada caloría.
2. Modelo teórico
Cuando una corriente I pasa por una resistencia, se transfiere energía desde las cargas
eléctricas que circulan por la resistencia hacia el medio ambiente. Esta transferencia se
manifiesta como calentamiento de la resistencia y de su medio ambiente, fenómeno que se
denomina Efecto Joule.
La rapidez con que se transfiere al ambiente la energía potencial eléctrica de las cargas que
circulan por el circuito es P = VI (siendo V la caída de potencial a través de la resistencia).
P se denomina "potencia disipada en la resistencia". Por tanto, la energía cedida durante un
tiempo t al ambiente, supuesto que P sea constante, es Pt.
Por otro lado, el cambio de temperatura 'T que se produce en un sistema de masa m
cuando se le transfiere una cantidad de energía E está dado por 'T = E/mc, siendo c una
propiedad constitutiva del sistema denominada "calor específico".
En esta práctica estudiaremos el sistema compuesto por
i) una resistencia por la que pasa una corriente (no se incluyen en el sistema en estudio los
otros elementos del circuito eléctrico, diferentes a la resistencia) y que está sumergida en
agua. Este elemento se denomina "resistencia calefactora".
ii) el agua en el que está sumergida la resistencia calefactora, y que será calentada por ésta;
iii) el recipiente que contiene el agua, denominado "vaso calorimétrico".
Aplicando el principio de conservación de la energía, bajo ciertas suposiciones, podemos
relacionar 'T = Tfinal - Tinicial en este sistema, con las siguientes variables y parámetros
constitutivos del sistema:
i) t: Tiempo transcurrido desde el instante para el cual la temperatura del sistema era
Tinicial.
ii) V: Caida de potencial a través de la resistencia
iii) I: Intensidad de corriente que circula por la resistencia
iv) magua : masa de agua en el sistema
v) cagua : calor específico del agua
Experimentación Física II
62
vi) mcal: masa del vaso calorimétrico
vii) ccal: calor específico del vaso calorimétrico
Las suposiciones que haremos son las siguientes:
i)El sistema agua + calorímetro + resistencia está térmicamente aislado del resto del
universo. Es decir, no hay transferencia de energía desde o hacia el sistema, diferente a la
que tiene lugar por efecto Joule en la resistencia misma.
ii)El producto mresistencia cresistencia es despreciable con respecto a la suma
magua cagua + mcal ccal
iii)La potencia disipada en la resistencia, VI, es constante.
Bajo las anteriores suposiciones, el principio de conservación de la energía se expresa así:
'E = Pt = VI t = (magua cagua + mcal ccal ) 'T
(1)
Ahora bien, el calor específico se da en muchos manuales en las unidades caloría/g ºC.
Actualmente se prefieren las unidades Joule/g ºC. La primera forma resulta al medir la
energía en calorías, una unidad definida en el siglo XVIII antes de comprender el principio
de conservación de la energía. En este experimento Ustedes podrán obtener el factor de
conversión entre la antigua unidad de energía (entonces se llamaba "calor") y la unidad
actual del sistema internacional, Joule. Este factor se denominó "equivalente mecánico del
calor" cuando fué medido por primera vez, a mediados del siglo XIX.
) ¿Cómo generalizar la expresión (1) en el caso de que la potencia eléctrica suministrada
al sistema sea variable?
3.
DISEÑO EXPERIMENTAL
3.1 Materiales y Equipo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Calorímetro con resistencia calefactora
Fuente de poder PHYWE 13532.93
Reóstato 0 o44 :, Imax = 3 A
Cables de conexión
Termómetro
Cronómetro
Amperímetro
Voltímetro
Balanza
Computador e interface (si está disponible)
Experimentación Física II
63
3.2 Método experimental
3.2.1 Un calorímetro es un dispositivo diseñado para medir la calor específico de un
material. El que Ustedes encontrarán en el laboratorio consta de:
i) una resistencia calefactora;
ii) un vaso calorimétrico: el recipiente interior para contener el líquido cuya calor
específico se quiere medir (en nuestra experiencia será el agua);
iii) un vaso exterior cuya función es aislar (hasta cierto punto) térmicamente el sistema en
estudio (conformado a su vez por la resistencia, el líquido estudiado y el vaso
calorimétrico);
iv) un aro metálico para agitar el líquido durante el calentamiento, asegurando así la
distribución uniforme de la energía transferida al líquido;
v) un anillo de caucho que sostiene el vaso calorimétrico dentro del vaso exterior.
3.2.2 El sistema experimental consiste en el calorímetro con agua, más el circuito eléctrico
al que pertenece la resistencia calefactora. Este sistema se representa esquemáticamente en
la figura 1. La resistencia variable tiene por objeto proteger la fuente y el elemento
calefactor.
Figura 1. Montaje experimental para el estudio del efecto Joule
3.2.3 Se medirán las variables temperatura (del sistema en estudio), intensidad de
corriente y caida de potencial (a través de la resistencia calefactora) en función del tiempo.
3.2.4 Se dispone de una balanza para medir la masa del agua y del vaso calorimétrico.
Experimentación Física II
64
3.3 Precauciones
3.3.1 Empiecen con el reóstato en su posición de resistencia máxima y muevan lentamente
el indicador. Nunca lleven el reóstato o resistencia variable Rv a cero. Verifiquen que los
instrumentos de medición estén en la escala apropiada y con la polaridad correcta antes de
encender la fuente.
3.3.2 Nunca cierren el circuito sin que la resistencia calefactora esté completamente
sumergida en agua (porque se quema).
3.3.3 Cerciórense de que el sensor de temperatura esté justamente en contacto con el agua,
debajo de su superficie, sin tocar ni la resistencia calefactora ni las paredes del vaso
calorimétrico.
3.3.4 No olviden agitar suavemente el líquido durante todo el proceso de calentamiento.
4. Procedimiento experimental
4.1 Pesen el vaso calorimétrico vacío, sin el anillo de caucho que lo rodea.
4.2 Viertan unos 200 ml de agua en el vaso calorimétrico y pésenlo nuevamente.
4.3 Monten el circuito de la figura 1. Coloquen la resistencia calefactora dentro del agua.
Ajusten tanto la fuente como el reóstato de modo que la intensidad de corriente esté entre 2
A y 3 A y la caida de potencial en la resistencia calefactora entre 5 V y 6 V. Apaguen
luego la fuente, dejando fijas las posiciones del reóstato y del control de voltaje de salida en
la fuente.
4.4 Introduzcan cuidadosamente el sensor de temperatura (ver 3.3.3). Anoten la
temperatura inicial del agua, asegurándose primero que sea estable y uniforme.
4.5 Cierren el interruptor y simultáneamente pongan en marcha el cronómetro. Anoten en
la tabla 1 los valores de la temperatura, la intensidad de corriente y el voltaje
aproximadamente cada minuto. Deben organizar el trabajo en equipo para ser lo más
precisos que puedan, en especial con la variable temperatura. Mientras tanto deben agitar
sin cesar el líquido.
4.6 Cuando la temperatura haya alcanzado entre unos 10º a 15° por encima de la
temperatura inicial apaguen la fuente.
4.7 Repitan el proceso de calentamiento para otras dos muestras de agua, de masas
diferentes entre sí y con respecto a la primera en unos 25 gramos. Si disponen del sistema
automatizado de toma de datos pueden estudiar otras muestras, según indique el profesor.
5. Análisis.
5.1 Grafiquen Temperatura del agua contra Tiempo (medido en el cronómetro), para cada
una de las muestras.
5.2 Dichas gráficas deberían poder ser ajustadas analíticamente mediante líneas rectas con
un muy buen coeficiente de correlación, bajo las condiciones indicadas en el modelo
teórico. A partir de la ecuación (1) y teniendo en cuenta la respuesta a la pregunta hecha al
final de la parte 2, muestren que las pendientes de tales líneas pueden interpretarse, en cada
Experimentación Física II
65
caso, como el cociente entre la potencia promedio disipada en la resistencia (VI) y el
"equivalente en agua del calorímetro" (mc), siendo
mc= magua cagua + mcal ccal .
A partir de esta interpretación, calculen los valores experimentales (para cada muestra) de
la magnitud mc (con su respectiva incertidumbre), en unidades Joule/ºC. Muestren
también que mc representa la energía que se debe transferir al sistema para que su
temperatura aumente en una unidad.
5.3. Realicen una gráfica de la magnitud "equivalente en agua del calorímetro" contra la
masa de agua, para las tres muestras. Haga un ajuste lineal a la gráfica. Interpreten la
pendiente y el intercepto de la línea de mejor ajuste.
5.4 El valor de referencia para el calor específico del agua destilada, a una temperatura
muy próxima a la del laboratorio, es exactamente 1 caloría /gºC (por definición de la unidad
de energía llamada caloría). Comparando su resultado para el calor específico del agua con
el valor de referencia, encuentren el factor de conversión entre ambas unidades de energía
(Joule y caloría). No olviden calcular la incertidumbre experimental de este resultado. Por
último, confronten el resultado obtenido con el factor de conversión reportado en los
manuales, que a veces se denomina “equivalente mecánico del calor”.
5.5 ¿Qué pasaría con la precisión de sus resultados si en lugar de agua se empleara un
líquido de calor específico de 0.25 cal/g °C? ¿Aumentaría o disminuiría? (hagan explícito
su razonamiento).
5.6 Evalúen hasta qué punto se satisfacen las condiciones indicadas en el modelo teórico.
BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA
[1] Física tomo II, R. A. Serway, 4ra edición. Editorial Mc. Graw Hill.
[2] Física Para Ciencias e Ingeniería, Tomo 2; Halliday - Resnick, Editorial CECSA
[3] Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 2; Fisbane, Gasiorowicz, Thornton;
Editorial Prentice- Hall Hispanoamericana
Experimentación Física II
66
TABLA DE DATOS
Grupo de practica :___________
Nombre CódigoPlan
0
C
Masa calorímetro más agua =
g
Ti =
Masa Calorímetro =
g
Calorímetro =
cal/g 0C
Masa del agua =
g
Cagua =
cal/g 0C
Masa del alambre =
g
Calambre =
cal/g 0C
t (s)
Experimentación Física II
V (v)
I (A)
T (0C)
67