EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR
I.
INTR INTROD ODUC UCCI CIÓN ÓN
Del principio de conservación de la energía, la cantidad de trabajo mecánico realizado para llevar a cabo una actividad puede transformarse en calor, o sea, la energía térmica es equivalente al trabajo realizado. En esta experiencia encontraremos la relación cuantitativa de la equivalencia entre el trabajo mecánico (joules) y energía térmica (calorias)
II. II.
OBJE OBJETI TIVO VOS S El objetivo de la práctica es utilizar la equivalencia entre calor Q y trabajo W (en ausencia de variación de energía interna) para la determinación del calor específico de un cuerpo sólido.
La energía mecánica se transforma totalmente, debido a la fricción, en calor. En el experimento, se hace girar un cilindro metálico, calentándolo con una cinta de fricción tensa de material.
III.
FUNDAMENTO TEORICO
Para elevar la temperatura de un cuerpo o sistema es necesario ponerlo en contacto con otro cuerpo de temperatura mayor o bien realizando trabajo mecanico sobre este, esta energía mecánica si se transforma en energía térmica se mide en calorías; se encontró la relación entre las caloríficas y las unidades de Joule mediante una experiencia en la cual la energía mecánica es transformada íntegramente en energía térmica.
Joule determino la equivalencia de 4.186 Julios = 1 cal, a través de un aprato en el cual unos pesos que caen pierden energía mecánica, haciendo girar un conjunto de paletas dentro de un recipiente que contiene agua, originando calentamiento del agua. Actualmente sigue siendo aceptado este resultado.
Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa como:
La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitud fundamental de la calorimetría, el calor
específico.
Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K.
Calor específico
El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términos matemáticos, esta relación se expresa como:
donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la capacidad calorífica, Q el calor aportado y DT el incremento de temperatura. El calor específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en julios por kilogramo y kelvin (J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual a:
Del estudio del calor específico del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico del calor, ya que:
Calorimetría
La determinación del calor específico de los cuerpos constituye uno de los fines primordiales de la calorimetría.
El procedimiento más habitual para medir calores específicos consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición en un baño de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el sistema está aislado, cuando se
alcance el equilibrio térmico se cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a la inversa.
Método de medida de calores específicos. Al sumergir un cuerpo en agua de temperatura conocida, cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor cedido por el cuerpo es igual al absorbido por el agua.
Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a la absorbida, se cumple que:
Siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor específico, T la temperatura inicial del cuerpo, m a la masa de agua, ca el calor específico del agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la temperatura final de equilibrio. Todos los valores de la anterior expresión son conocidos, excepto el calor específico del cuerpo, que puede por tanto deducirse y calcularse de la misma.
Calor específico de los gases En el caso de los gases, ha de distinguirse entre calor específico a volumen constante (cv) y a presión constante (c p). Por el primer principio de la
termodinámica, y dado que el calentamiento de un gas a volumen constante no produce trabajo, se tiene que:
En el caso particular de gases diluidos, la vinculación entre el calor específico a presión y a volumen constante sigue la llamada relación de J. R.
Mayer (1814-1878):
siendo Nm el número de moles por unidad de masa y R la constante universal de los gases perfectos.
IV.
DESCRIBCION DEL EXPERIMENTO
En Esta experiencia se transmite calor a un cilindro de aluminio por medio del dispositivo instalado, la fricción ejercida por una cuerda de nylon enrollada sobre el cilindro incrementará su temperatura al girar la manivela; esta temperatura es medida en función al cambio de resistividad del termistor dentro el cilindro, y puede medirse con el ohmímetro.
El trabajo realizado sobre el cilindro al girar la manivela es igual al producto del torque aplicado “t” y el ángulo total recorrido, se clacula considerando el valor de la masa suspendiada a un extremo de la cuerda de nylon y el radio del cilindro, según la siguiente ecuacon.
T = MgR
Donde M es la masa del cuerpo suspendido, R es el radio del cilindro de aluminio, g es el valor de la gravedad. El recorrido angular se mide tomando en cuenta la lectura del contador ubicado en el dispositivo y multiplicándolo por el valor angular d euna vuelta (2πRad.)de modo que el trabajo total W realizado puede determianrse de:
W = t*θ= MgR(2πN)
V.
EQUIPOS Y MATERIALES
Equipo (incluye: 1m de cuerda de Naylon, lubricante de grafito, deposito para masa)
Balanza
Interfase
VI.
Miltitester digital
Vernier
Masa (10Kg)
Destornillador plano (mediano)
PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES
Procedimiento para configuración de equipos y accesorios a) Fije el equipo experimental al borde de la mesa de trabajo
b) Limpie el tambor cilíndrico con un paño limpio y agregue una pequeña cantidad de polvo de grafito sobre la superficie.
c)
Enrolle la cuerda de nylon alrededor del cilindro sujetando uno de los extremos a la argolla de fijación y el otro a la masa escogida.
d)
Conecte el multitester a los terminales del termistor, usando los claves de conexión adecuados.
e)
Coloque el sector en Ohmios, en la posición de 2000K Ohmios, el máximo.
f) Realice las mediciones y registre los valores para los parámetros solicitados.
DATOS INICIALES
Parámetros Masa suspendida Masa del cilindro de aluminio Radio del cilindro Tempreratura inicial del cilindro
Valores 2Kg 0.257Kg 166.5 24.5 ºC
Primera actividad (Calculo del equivalente mecanico) a. Inicie lentamanete el movimiento de la manivela en sentido horario.
b. Realic en promedio 25 giros de la manivela (tome la lectura del contador)
c. Tome la lectura del multiteste y calcule la equivalencia de la temperatura con los datos en el equipo.
d. Determine la variación de la temperatura (descontando 1ºC a la temperatura final).
e. Calcule el trabajo con la ecuación y el calor producido.
f. Repita lospasos a hasta e y registre sus datos en la tabla respectiva.
g. Determine en base a estos promedios el valor de W/Q.
h. Calcule el error absoluto y porcentual con el valor ya definido.
RESULTADOS Y CALCULOS N Temperatura
1 24.1
2 23.625
3 23.225
4 22.825
5 22.375
Promedio 23.23
final (ºC) Calor producido (cal) Trabajo Mecanico (J)
VII.
CUESTIONARIO
1.
¿CUALES PODRIAN SER LAS CAUSAS PARA LA DIVERGENCIA ENTRE EL VALOR TEORICO PARA EL EQUIVALENTE MECANICO?
Las causas podrían ser: el valor calculado y el teórico respecto al equivalente mecánico. También factores ambientales, como el clima debido a la variación de temperatura. El error humano a la hora del cálculo, debido a que se presenta un porcentaje de error, en dicho calculo. Entonces divergen de tal manera dichos valores(el teórico y el calculado), dado que el teórico se basa en hechos reales, considerando factores ambientales, ya sea como la temperatura en forma real, y no en forma especulativa como ocurre en el caso del calculado en el laboratorio.
2. ¿SERIA POSIBLE QUE EL CALOR ABSORBIDO POR EL CILINDRO SEA MAYOR AL TRABAJO EFECTUADO SOBRE EL?, EXPLIQUE
Para nada resultaría posible, porque dado que el trabajo realizado sobre él hace que el cilindro absorba de alguna manera el trabajo realizado en forma de energía sobre él. Podría ser menor o igual pero no podría ser mayor. Entonces la energía que absorbe el cilindro debido a un trabajo realizado sobre el, depende de dicho trabajo realizado sobre él.
3. ¿PODRIA USTED DESCRIBIR UN PROCESO FISICO POR EL CUAL PUEDA TRANSFORMARSE CALOR EN ENERGIA MECANICA? Calor, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El
calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayo temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. James Prescott Joule El físico británico James Prescott Joule centró sus investigaciones en los campos de la electricidad y la termodinámica. Demostró que el calor es una transferencia de energía y determinó el equivalente mecánico del calor.Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. Pérdidas de calor en una vivienda Esta imagen de colores falsos muestra el calor que se escapa de una vivienda en forma de rayos infrarrojos. Las zonas negras son las que menos calor irradian, mientras que las blancas (que coinciden con las ventanas) son las que más calor pierden.NASA/Science Source/Photo Researchers, Inc. Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible, denominada calórico. Según la teoría del calórico, un cuerpo de temperatura alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el primero cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las pruebas experimentales presentadas por el físico británico Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry Davy en 1799 sugerían que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, en una
serie de experimentos muy precisos, demostró de forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo
4. PARA EL EXPERIMENTO REALIZADO, ¿SERÍA NECESARIO TENER EN CUENTA LA ENERGÍA INTERNA DEL CILINDRO? No es necesario tenerla en cuenta ya que la energía interna de un cuerpo depende de los procesos que transcurren en su interior, no depende ni del movimiento de este ni de su posición con relación a otros cuerpos tomados como referencia.
c = C m
Donde C: capacidad calorífica. m: Masa del sistema
5. ¿CUÁL ES LA DEFINICIÓN DE CALOR ESPECÍFICO VERDADERO? Se llama calor específico de una sustancia, a la cantidad de calor que es necesaria suministrar a un kilogramo de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado, se mide en JOULES.
6. EXPLIQUE DETALLADAMENTE EL FUNCIONAMIENTO DE UN TERMÓMETRO DE RESISTENCIA Y EL PAR TERMOELÉCTRICO. Definimos los siguientes conceptos a continuación:
Termómetro de resistencia El termómetro se compone de un alambre fino, generalmente de platino, arrollado sobre una armadura de mica y encerrado dentro de un tubo de plata de paredes delgadas que sirve de protección. Se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales aumenta al crecer la temperatura. Mediante hilos de cobre se une el termómetro a un dispositivo para medir resistencias, el cual pude estar colocado en un sitio conveniente. Puesto que la resistencia puede medirse con mucha precisión, el termómetro de resistencia es uno de los instrumentos más precisos para la medida de temperaturas, pudiendo alcanzarse una aproximación de 0,001 ºC. El intervalo de utilización de este termómetro de resistencia de platino abarca, aproximadamente, de -250 ºC hasta 1760 ºC, punto de fusión del platino.
Coeficiente de temperatura de la resistencia La resistencia de un material en respuesta a una variación de la temperatura se conoce como “coeficiente de la resistencia”.
El coeficiente se expresa como un cambio de resistencia en ohms y por ohm por grado de temperatura a una temperatura especifica. Para casi todos los metales, el coeficiente de temperatura es positivo; para muchos metales puros, el coeficiente es esencialmente constante en grandes porciones de su gama útil.
7. ¿EN UNA LÁMINA DE ÁREA IRREGULAR EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN SUPERFICIAL ES EL DOBLE QUE EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL?
La dilatación superficial de un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación superficial que es aproximadamente dos veces el coeficiente de dilatación lineal. Por ejemplo si se considera una placa rectangular (de dimensiones: L ), y se somete a un incremento uniforme de x y yL temperatura, el cambio de superficial vendrá dado por:
Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo comportamiento independientemente de la dirección, mientras que en las anisotrópicas las propiedades varían con la dirección.. Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo comportamiento independientemente de la dirección, mientras que en las anisotrópicas las propiedades varian con la dirección. En el caso de la luz, los cristales anisótropos presentan distintos valores de sus índice de refracción en función de la dirección en que vobre la luz al atravesar el cristal.
La anisotropía es una consecuencia de la estructura interna del mineral. Si carece de organización interna (minerales amorfos) o si presenta una organización muy regular son isótropos, los demás son anisótropos.
Los minerales que cristalizan en el Sistema Cúbico (o Regular), es decir, el de máxima simetría, con sus átomos o iones igualmente distribuidos en las tres direcciones principales del espacio, son isótropos. Los pertenecientes al resto de los sistemas cristalinos (hexagonal, trigonal, tetragonal, rómbico, monoclínico y triclino) son anisótropos, las disposiciones de sus elementos
constituyentes varían con la dirección y por tanto su elasticidad para las ondas luminosas también es diferente.
Por lo tanto para que el coeficiente de dilatación superficial sea aproximadamente al doble del de dilatación lineal la lamina que se esté analizando debe cumplir con las características de la isotropía que significa debe ser un cuerpo regula
VIII. •
CONCLUSIONES El experimento realizado nos sirvió para hallar la relación entre trabajo realizado y el calor producido.
•
Comprendimos que la energía interna de un cuerpo, no depende del movimiento.
•
La capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa, su composición química, del estado termodinámico y del tipo de transformación durante el cual se le suministra calor.
IX.
BIBLIOGRAFIA •
Ausberto Rojas Saldaña Fisica II .
