UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU Facultad de Ingeniería Química E.A.P. Ingeniería Química Industrial
Proyecto de Investigación:
Determinación del Equivalente Mecánico de Calor y
“
Demostración del Experimento de Joule
Ejecutores:
EGOAVIL GUTIERREZ, Yvetgisell
OSCANOA AYUQUE, Franklin
Ms. Yéssica Bendezú Roca Director del Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Química
”
1. Aspectos de la Investigación 1.1. Título: “Determinación del Equivalente Mecánico de Calor y Demostración del Experimento de Joule”
1.2. Planteamiento del problema: .
1.2.1. Formulación del problema: 1.2.1.1. Problema general: ¿Cómo
determinar
el
equivalente
mecánico
de
calor
demostrando el experimento de Joule? 1.2.1.2. Problemas específicos ¿Cómo demostrar en laboratorio el experimento de Joule? 1.2.2. Objetivos 1.2.2.1. Objetivo General: Determinar el equivalente mecánico de calor Q/EP realizando el experimento de joule 1.2.2.2.
Objetivos específicos:
Demostrar en el laboratorio el Experimento de Joule mediante un módulo específico para este estudio. 1.3. Justificación Se sabe que la energía no se crea ni se destruye y que solo se transmite. Pero, hasta el experimento de joule, el calor se medía en calorías (cal). La energía mecánica se medía en julios (J); y no existía relación entre estas dos formas de energía. Joule puso en manifiesto como la energía mecánica puede producir energía calorífica y lo hace siempre en la misma proporción. Esta (Q/Ep) equivalencia de energías se llama equivalente mecánico del calor.
2.
Marco teórico
2.1. Antecedentes:
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD: FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA E.A.P: INGENIERÍA QUIMICA INDUSTRIAL TITULO: ““Evaluación y demostración del experimento de joule” Autora: Andrea Cruz Mamani Fecha de Defensa: 27 de Julio de 2013 Descripción del proyecto. .
.1.2.1. Planteamiento y formulación del problema: A través de la experiencia de Joule se pone de manifiesto la equivalencia entre dos formas de energía: la mecánica y la calorífica. ¿Cómo determino Joule la relación entre energía mecánica y energía calorífica? 1.2.2. Objetivos OBTENER EL EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR Q/EP REALIZANDO EL EXPERIMENTO DE JOULE. 2.2. Bases teóricas: 2.2.1. Experimento de joule. Equivalente mecánico del calor Correspondió no obstante al científico británico James Prescott Joule (18181889) realizar las estimaciones cuantitativas precisas del equivalente mecánico del calor esto es entre el trabajo mecánico realizado y el calor producido. Joule demostró que la aparición o desaparición de una cantidad dada de calor va siempre acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica. A través de la realización de una serie de experimentos comprobó que siempre que sobre un sistema se realizaba la misma cantidad trabajo fuera este de origen mecánico, eléctrico o químico se obtenía la misma cantidad de calor, sentando así las bases
para la compresión moderna del calor y del trabajo como formas de transferencia de energía y la determinación cuantitativa de la equivalencia entre ellas. El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro). El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecánico o Julios (J, en honor a Joule se dio su nombre a la unidad de energía del sistema internacional, SI) para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Una vez establecida la equivalencia experimental entre energía y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinación del valor de la caloría en unidades normales de energía. Este resultado nos dice que 4.18 J de energía mecánica son equivalente a 1
caloría de energía térmica, y se conoce por razones históricas con el nombre de equivalente mecánico del calor. Medidas más precisas hechas posteriormente han determinado que 4,186 J/g ºC cuando la temperatura del agua se incrementa de 14.5 ºC a 15.5 ºC. Tradicionalmente se ha seguido expresando la energía térmica en calorías para luego convertirlas utilizando el equivalente mecánico del calor en las unidades estándar de energía mecánica. Hoy en día todas las formas de energía se expresan normalmente en Julios. Como resultado de los experimentos de Joule y de otros experimentos posteriores, se interpreta que el calor no es una sustancia, ni una forma de energía, sino más bien como una forma de transferencia de energía, cuando el “calor” fluye de una objeto frío a otro caliente, es la energía la que
está siendo transferida desde el frío al caliente. Así el calor es energía que es transferida desde un cuerpo a otro debido a su diferencia de temperatura. 2.3. Bases conceptuales: Caloría: Es el calor que precisa intercambiar un gramo de agua para que su temperatura cambie un grado. Julio: Es la energía que se obtiene cuando una fuerza de un newton kilogramo produce un desplazamiento de un metro 2.4. Hipótesis
Para aumentar en 1 °C un gramo de agua se necesita 4,186 J (experimento de Joule) .En otras palabras 1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal
3. Metodología de la investigación. 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN: Cuantitativa – Experimental – Prospectivo – Transversal – Analitico Aplicada
3.2 . NIVEL DE INVESTIGACIÓN: Explicativo 3.3 MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN: Experimental 3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA: Población:
experimentos totales realizados
Muestra:
3 datos de los experimentos
3.5 PROCEDIMIENTO DE RECOLECCIÓN DE DATOS: Muestreo Completamente aleatorio con números aleatorios.
4. Resultados de la investigación: 4.1. Técnicas y procedimientos de la recolección de datos: 4.1.1. Materiales utilizados 250 ml de agua destilada Termómetro digital grande Pares de pesas de 250, 350,450g Módulo Se pidió prestado el módulo a las alumnas que llevaron a cabo este proyecto el anterior semestre las que accedieron al instante, El modulo es:
Tecs: -
Laboratorio virtual
4.1.2. Procedimiento para determinar el equivalente mecánico calor: Joule pone de manifiesto como la energía mecánica puede producir energía calorífica y lo hace siempre en la misma proporción. Esta equivalencia de energías se llama equivalente mecánico del calor. Vale: 1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal El calor necesario Q es: Q = Ma Ce (Tf – T0) cal
Para mover esta paletas se aprovecha la energía mecánica de una masa Mp, que cae desde una altura h, mediante un hilo que acciona del
movimiento de giro. La energía mecánica implicada es energía potencial Ep que se libera es: Ep = Mp g h J
Joule demuestra mediante esta experimentación que entre ambas formas de energía existe una relación constante: el equivalente mecánico del calor: Ep/Q = equivalente mecánico del calor
4.2. Presentación, análisis e interpretación de los datos. 4.2.1. Presentación de resultados:
Tabla Nº1 N° Exp.
Ma(g)
Mp(kg)
H(m)
Ti(°C)
Tf(°C)
1
250
0.5
1.6
17
17.0075
2
250
0.7
1.6
17
17.0105
3
250
0.9
1.6
17
17.0135
4.2.2. Análisis e Interpretación de Datos: i.
Al variar las masas de las pesas observamos que la cantidad de grados aumentados son mayores si dichas pesas tienen la mayor masa así se puede ver al comparar exp.1 con el exp.3
ii.
En la tabla se observa que se mantuvo las masas del agua y las alturas en su mismo valor para facilitar cálculos.
4.3.
Proceso de comprobación de hipótesis: 4.3.1. Cálculos ; Para 1:
Masa del bloque M =0.5 kg
Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=250g=0.250kg
Se apunta
Altura h=1.6 m Temperatura inicial T 0=17ºC, y la temperatura final T =17.0075ºC
Para 2:
Masa del bloque M =0.7 kg
Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=250 g=0.25 kg
Se apunta
Altura h=1.6 m Temperatura inicial T 0= 17ºC, y la temperatura final T =17.0106ºC
Para 3:
Masa del bloque M =.0.9 kg
Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=250 g=0.25 kg
Se apunta
Altura h=1.6 m Temperatura inicial T 0= 17ºC, y la temperatura final T =17.0137ºC
Hallando el promedio de los tres datos:
4.3.2. Resultado: Para aumentar en 1 °C un gramo de agua se necesita Hipótesis aceptada con error experimental de 4.4.
Discusión de resultados La masa de las pesas influye en el aumento de temperatura En el exp.1 se obtuvo un equivalente mecánico mayor al teórico debido a error con la medición de temperatura en el termómetro y que la
temperatura del agua ascendió por el aumento de temperatura ambiente,
En el exp.2 se obtuvo el mínimo valor del equivalente mecánico debido a que fue un dato extraído cuando la temperatura exterior tendió a descender pero se continuo trabajando con temperatura 17°C.
El error se debe a que el termómetro era de 4 dígitos decimales lo cual no dio los valores exactos para el aumento de temperatura en cada uno de los experimentos
5. Aportes de la investigación: 5.1 . Aportes teóricos: Conocimientos y datos reales para determinar el equivalente mecánico calor y demostrar el experimento de Joule 5.2. Aportes institucionales: Se da un aporte al avance en investigación en la FIQ –UNCP. 6. CONCLUSIONES
Se determinó el equivalente mecánico de calor llevando a cabo el experimento de Joule obteniéndose que para aumentar en 1 °C un gramo de agua se necesita , lo que acepta nuestra hipótesis con error experimental de
Se demostró en laboratorio el experimento de Joule mediante un módulo especifico
7.
SUGERENCIAS
Se recomienda trabajar con un termómetro de 6 dígitos a más para evitar alto rango de error
Trabajar en las más cuidadosas medidas de higiene
Se recomienda trabajar en un horario de temperatura ambiente constante para poder trabajar con una temperatura de agua constante
8. Referencia Bibliográfica
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/badillo_c_a/capitulo5. pdf
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/05/htm/se c_6.html
9. Anexos:
