Equivalente mecánico del calor

Equivalente mecánico del calor
1.
Objetivo de la práctica
podrı́a romperse al moverse o inclinarse la instalación.
El objetivo de la práctica es utilizar la equivalencia
entre calor Q y trabajo W (en ausencia de variación
Ejecución y evaluación
de energı́a interna) para la determinación del calor 3.
especı́fico de un cuerpo sólido.
En el montaje se colocará uno de los siguientes ciLa energı́a mecánica se transforma totalmente, delindros:
bido a la fricción, en calor. En el experimento, se hace
girar un cilindro metálico, calentándolo con una cinta 1. Un cilindro de latón (aleación de cobre y zinc)
de fricción tensa de material plástico.
de masa m = 0, 64 kg.
2.
Descripción e instalación
El aparato está compuesto de una placa base con
apoyo giratorio con atornillamientos para el cilindro
de fricción y la manivela, ası́ como un estribo de sujección para la cinta de fricción. El montaje de la
práctica se muestra en la fig. 1
En la preparación previa, los pasos a seguir son:
2.
Un cilindro de latón de masa m = 1, 28 kg.
3.
Un cilindro de aluminio de masa m = 0, 39 kg.
En los tres casos el radio del cilindro es r = 2, 25 cm.
Para los dos cilindros de latón se utilizará la pesa
de 5 kg (peso FG = 49 N) y el dinamómetro de
100 N, mientras que para el cilindro de aluminio se
utilizará la pesa de 1 kg (peso FG = 9, 8 N) y el
dinamómetro de 10 N (al objeto de evitar la fuerte
abrasión en el cilindro).
Se cuelga el dinamómetro en el estribo de sujecSe mide la temperatura inicial T1 del cilindro (reción.
presentada por la lı́nea horizontal T1 de la fig. 3).
Se fija la cinta de fricción en el dinamómetro A continuación, se efectúan n vueltas (por ejemplo,
y se enrolla el cilindro de fricción con la cinta n = 200) con la manivela, procurando que sean lo
dos veces y media, de forma que se descargue la más uniformes posibles. Al mismo tiempo se observa
fuerza mostrada en el dinamómetro al girar la la fuerza FD que actúa sobre el muelle del dinamómetro. La diferencia entre el peso FG y la tensión FD
manivela hacia la derecha.
proporciona el valor de la fuerza de fricción FR (véase
Se sujeta un peso en el extremo inferior de la la fig. 2), es decir,
cinta de fricción.
FR = FG − FD .
(1)
Se llena el orificio del cilindro de fricción con
pasta conductora de calor y se introduce el El trabajo de fricción es entonces igual a la fuerza de
termómetro en el orificio, sujetándolo con la fi- fricción multiplicada por el desplazamiento total:
jación en ángulo. Hay que procurar que el orifiW = FR 2πrn.
(2)
cio del cilindro y el termómetro queden perfectamente alineados. De otro modo, el termómetro Inmediatamente después de realizar las n vueltas, se
1
energy, thermal capacity, first law of thermodynamics, specific thermal capacity
Principle and task
In this experiment, a metal test body is rotated and heated by
the friction due to a tensed band of synthetic material. The
mechanical equivalent of heat for problem 1 is determined
from the defined mechanical work and from the thermal energy increase deduced from the increase of temperature. Assuming the equivalence of mechanical work and heat, the specific thermal capacity of aluminum and brass is determined.
Friction cylinder CuZn, m 1.28 kg
Friction cylinder Al, m 0.39 kg
Support rod -PASS-, square, l 250 mm
Right angle clamp -PASSSpring balance 10 N
Spring balance 100 N
Stopwatch, digital, 1/100 sec.
Thermometer -10...+30 C
Bench clamp, -PASSUniversal clamp with joint
Commercial weight, 1000 g
Commercial weight, 5000 g
04441.02
04441.03
02025.55
02040.55
03060.03
03060.04
03071.01
05949.00
02010.00
37716.00
44096.70
44096.81
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Fig. 1: Experimental set-up: Mechanical equivalent of heat.
Figura 1: Montaje experimental.
PHYWE series of publications • Laboratory Experiments • Physics • PHYWE SYSTEME GMBH • 37070 Göttingen, Germany
2
23302
1
R
LEP
3.3.02
Mechanical equivalent of heat
ig. 2: Equilibrium of forces when the friction cylinder is rotated.
FD
FR
ment, the frictionpone
cylinder
and the friction
band
should
el cronómetro
a cero
y se
midebe
la temperatura
wiped with a dry cloth to rid them from metallic abrasion dust.
a
t
=
0,
30
s,
60
s,
.
.
.
,
240
s,
es
decir,
When using the aluminum cylinder, friction should not exceeda intervalos de
301skgdurante
4 minutos.
de esperar
10 N, (for this, the
weight and
the moreEs
precise
10 N que la temsigatoaumentando
ligeramente
dynamometer are peratura
used), in order
avoid severe abrasion
and (debido a la
soiling of the friction
band.
The specific
thermal capacity
of un máximo
inercia
térmica
del termómetro),
alcance
the cylinder is calculated
the number
of crank rotations
y luego from
disminuya
lentamente.
Los puntos a la deren, the mean force at the dynamometer FD and the increase of
cha de T1 en la fig. 3 representan los valores medidos
temperature DT.
de la temperatura frente al tiempo en un ejemplo ficticio. En cada experimento se realizará una gráfica
Theory
La temperatura
real
alcanza2 delofcilindro
For a long time itsimilar.
was debated
as to whether
theTheat
a
da
después
de
la
realización
del
trabajo
de
fricción
se
system, which used to be defined in terms of its temperature,
was a form of energy
or an independent
magnitude
whichlaiszona de dismiobtendrá
extrapolando
linealmente
conserved. Duringnución
the first
of the nineteenth
century,
dehalf
temperatura
hasta cortar
la itvertical correswas proven that pondiente
mechanical al
energy
due tto=friction
is cominstante
0.
pletely converted to heat, independently of the course of the
La diferencia
= T2 −and
T1 es
el aumento de temtransformation process
and of the∆T
physical
chemical
peratura
experimentado
por
el
cilindro
characteristics of the material used. Heat was accordingly debido a la
conversión
del trabajo
de fricción invisen calor:
defined as the energy
of disorganized,
macroscopically
ible molecular movements.
M
W = Q = C∆T,
(3)
The quotient between realized mechanical work DW and the
quantity of heat DQ
generated
friction
is called
the de los cuerpos
FG
donde
C es lathrough
capacidad
calorı́fica
total
mechanical equivalent of heat. In this experiment, mechanical
calentados, es decir, el cilindro, la cinta de fricción y el
work is performed by rotating the friction cylinder against the
termómetro:
= Ccilindro
+ Ccinta
+ As
Ctermómetro . Las
friction
band.
FR of theCsynthetic
Figura 2: Equilibrio de fuerzas cuando sliding
se girafrictional
el ci- force
capacidades
calorı́ficas
de
la
cinta
y
del termómetro
weight M (cf. Fig. 2)
is not accelerated
when the
crank
is rotatlindro de fricción.
= 49 Nestimarse
(M mass of
the weight,
ed, weight FG = Mg
pueden
como
Ccinta g'terrestriCtermómetro ' 4 J/K,
roblems
al gravitational acceleration)
on one side and the sliding fricde modo que
. Determination of the mechanical equivalent of heat.
tional force FR acting together with force FD on the suspension
. Determination of the specific thermal capacity of aluminum
of the dynamometer on the other side, mustWcancel each
and brass.
other:
Ccilindro =
− 8 J/K.
(4)
32
T2
temperatura (ºC)
et-up and procedure
he experimental set-up 30
is shown in Fig. 1. To start with, the
iction cylinder and the crank handle are fixed to the rotating
earing and the base plate is clamped very firmly to the table
with the screw clamps. Failure to do so may cause tilting of
28 which in turn may cause the
he base plate during cranking,
hermometer introduced into the bore hole to break. The fricon band fastened to the dynamometer is laid 2.5 times
round the friction cylinder
26 (so that the dynamometer is
elieved when the crank is turned clockwise) The 5 kg weight
attached to the lower end of the friction band. T
To measure
1
emperature, the thermometer is held with a universal
clamp
nd carefully introduced into
24 the bore hole of the friction cylnder. The thermometer and the bore
the cylinder
0 hole of60
120must
e carefully aligned, so the thermometer will not break while
tiempo
(s)
he cylinder is rotating. To improve thermal contact,
the bore
ole is filled with heat conducting paste.
∆T
FR = FG – FD
(1)
Conocida la masa m del cilindro,
el calor especı́fico c
del
material
se
determina
a
partir
de2p
Friction work W is thus determined from the friction path of
r n (r = radius of the cylinder, n = number of turns) and is found
Ccilindro
to be:
c=
.
m
W = 2p r n FR = 2p r n (FG – FD)
(2)
La determinación del calor especı́fico c debe realizarse para los tres cilindros.
180
T
°C
T2
240
X
28
X
X X X
A2
X X
X X
X X
X X
X
Figura 3: Ejemplo de diagrama temperatura–tiempo.
27
t the beginning of the measurement, temperature is recordd every thirty seconds during four minutes. After this, the
rank handle is turned a certain number of times (e. g. 200
mes) as fast and regularly as possible. Simultaneously, the
orce FD acting on the suspension is determined with the
ynamometer. Subsequently, the continuous temperature
ecrease is noted at intervals of thirty seconds.
he second part of the experiment is carried out similarly, in
rder to measure the thermal capacity of an aluminum cyliner and that of a brass cylinder whose mass is double the
mass of the aluminum cylinder. Before starting the experi-
23302
(5)
DT
26
3
A1
25
24
X X X X X X X
X
0
120
X
240
T1
360
480
600
720
t
s
Fig. 3: Temperature-time diagram for a measurement example.
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