Práctica 5. Equivalente Eléctrico del Calor. OBJETIVO.
El alumno aprenderá el proceso de transformación de energía eléctrica a energía calorífica que ocurre en cualquier elemento resistivo de un circuito eléctrico. Obtener la relación que existe entre la unidad de energía eléctrica (Joule) y la unidad usual de energía calorífica (caloría). INTRODUCCIÓN TEÓRICA.
Nuestro Universo se encuentra formado de masa y energía, las cuales están en constante movimiento y transformación, por lo que no es de sorprenderse que frecuentemente nos encontremos con fenómenos de transformaciones energéticas y cuyos ejemplos son muy variados. Ésta práctica se enfoca en la transformación existente para obtener energía calorífica calorífica a través de energía eléctrica. De cursos pasados de física nosotros sabemos que la potencia (P) es el trabajo realizado por unidad de tiempo.
Análogamente se tiene que en general l potencia puede considerarse como la energía consumida por unidad de tiempo.
En un circuito sencillo tenemos que existe una corriente eléctrica eléctrica i, así como una d.d.p. entre los puntos a y b de una resistencia (V ba). Una carga eléctrica q que se mueve a través de la resistencia establece, un cambio en la energía potencial eléctrica en el circuito, el cual puede ser dado por la expresión:
Sustituyendo en (2) se tiene:
Que se conoce como potencia eléctrica definida como el trabajo realizado por las fuerzas de origen eléctrico por unidad de tiempo. Trabajando matemáticamente la ecuación (4) conociendo que V ba es el d.d.p. en una resistencia óhmica y además que en un circuito es mucho más fácil medir el d.d.p. de la resistencia que la corriente eléctrica, tenemos que:
En el caso de una resistencia en condiciones de ceder al medio que le rodea la energía que recibe con la misma rapidez con la que llega, la energía suministrada a la resistencia se convierte en calor que hace que el medio que la rodea aumente su temperatura. Si Q es la cantidad de calor calor disipado en un tiempo t. La ecuación (8) se convierte entonces en:
La cual expresa la relación cuantitativa entre las cantidades de calor y energía eléctrica, dicha relación fue descubierta experimentalmente por J.P. Joule en el transcurso de sus medidas del equivalente mecánico del calor. Para nuestra práctica es conveniente conocer dos conceptos, los cuales son: Capacidad calorífica (Cc) Y Calor específico (C). Definiendo a la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que proporcionar a una sustancia de masa m para que experimente un aumento de temperatura de 1ºC.
Si se divide a Cc entre la masa se obtiene al calor específico de la sustancia, es decir: la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa m asa para que ésta aumente su temperatura en 1ºC.
PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL.
Cada equipo utilizará: a) b) c) d)
1 Variac. 1 Multímetro. 1 Calorímetro con termómetro. 1 Resistencia.
METODOLOGÍA.
1. Con ayuda del multímetro ajustamos el Variac a un voltaje entre 20 25 V, el cual deberá permanecer constante constante durante toda la experiencia. 2. Nuevamente con ayuda del multímetro, medimos la resistencia del calorímetro. 3. Añadimos 250g aproximadamente de agua al calorímetro, calorímetro, dejamos que nuestro sistema establezca un equilibrio térmico y anotamos la temperatura inicial a la que comenzamos el experimento. 4. Conectamos la resistencia al Variac y dejamos que el circuito circuito trabaje durante 5min. 5. Al paso de los 5 min desconectamos la resistencia y esperamos a que se establezca la temperatura del termómetro el cual indica un nuevo equilibrio térmico. 6. Repita la experiencia 3 veces, cambiando el agua por agua fría en cada experiencia. DATOS EXPERIMENTALES Y ANALISIS DE DATOS.
Las cantidades directamente medidas en el transcurso de esta práctica fueron: RESISTENCIA TEMPERATURA TEMPERATURA TIEMPO EXPERIENCIA VOLTAJE (V) () INICIAL (ºC) FINAL (ºC) TRANSCURRIDO (s) 1 23 28 21 27.6 420 2 23 28 21 25.8 300 3 23 28 21 27.8 420 Cantidades medidas indirectamente: a) Masa del agua; m= 250g (A través de una probeta probeta graduada 250ml y se realiza una equivalencia equivalencia 1mL= 1g). b) Calor específico del agua; C= 1cal/g ºC (Consultado en tablas). c) Capacidad calorífica del calorímetro; W=17 cal/ºC (Anotado en la tapa del calorímetro). Cantidades calculadas: EXPERIENCIA T (ºC) 1 6.6 2 4.8 3 6.8
Q w = W· T (calorías) 112.2 81.6 115.6
Q H20 = C·m· T (calorías) 1650 1200 1700
Q T (calorías) 1762.2 1281.6 1815.6
ENERGÍA DISIPADA U (Joules) 7935 5667.86 7935
La relación cuantitativa entre energía eléctrica (en Joules) suministrada a la resistencia y la cantidad de energía calorífica disipada en la misma (en calorías) y absorbida por el agua. Se obtienen suponiendo que no hay pérdidas de energía, lo cual implica que ambos sean iguales. Sin embargo debido a que las unidades en las que se miden son distintas, la igualdad solo puede establecerse mediante el factor de conversión J.A éste se le llama: equivalente eléctrico del calor, y se obtiene con la siguiente relación:
EXPERIENCIA EXPERIENC IA 1 2 3
U 7935 5667.86 7935
Q 1762.2 1281.6 1815.6 VALOR PROMEDIO
J 4.50 4.42 4.37 4.43
El equivalente eléctrico del calor tiene experimentalmente experimentalmente la relación que 1 Joule = 4.18calorías, y nuestros datos experimentales dicen que 1 Joule = 4.43calorías, nuestro dato es posible que haya cambiado debido a la pureza del agua, la capacidad calorífica de nuestro calorímetro, la homogeneidad en la que se distribuyó el calor en el agua, entro otros factores. CUESTIONARIO.
1. Explique cómo se podría suministrar al sistema la misma cantidad de energía en la mitad de tiempo. Se puede realizar esto al incrementar la potencia eléctrica, de la ecuación (9) y (10) podemos ver que esto se puede lograr ya sea aumentado el voltaje o reduciendo la resistencia. 2. Diga que haría usted para duplicar la energía suministrada al sistema sin modificar la rapidez de suministro de la misma. La rapidez de suministro está dada en la ecuación (10) como la razón de cambio de la energía en función al tiempo, si nosotros deseamos duplicar la energía suministrada debemos duplicar el tiempo en el que se suministra la misma. 3. Explique cómo está involucrado involucrado en éste experimento el principio principio de conservación de la energía. energía. El principio está íntimamente ligado en la relación existente entre la potencia eléctrica y la cantidad de calor convertido a partir de la energía eléctrica, pues una resistencia convierte toda la energía eléctrica que retiene en energía calorífica, haciendo que la energía no se destruya sino únicamente se transforme. 4. Explique el significado de kilowatt-hora. Equivale a la energía desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora. 5. La compañía de luz cobra a los usuarios por kilowatt-hora consumido, en un recibo consulte el costo anual de dicha unidad. Usando este dato calcule el costo de la energía eléctrica utilizada en una determinación de J. $/kWh = 3.240, sabemos que un watt es igual a un Joule por por segundo, entonces:
6. Si en lugar de agua hubiera usado aceite en el experimento experimento ¿Qué pasaría con la energía consumida y el costo? EXPLIQUE. La cantidad de energía consumida y el costo permanecen constante, pues ésta depende de la resistencia y no de la sustancia usada, el parámetro en que se veríamos una variación seria en la T en el aceite y el calorímetro.
CONCLUSIONES. y
y
A través del desarrollo de la práctica se puede observar claramente la transformación de energía eléctrica en energía calorífica, observado en la diferencia de temperatura registrada en el termómetro al hacer pasar una corriente por la resistencia. Es necesario aclarar que éste fenómeno no sucede en todos los materiales, y es en las resistencias donde esta transformación es más usada para fines prácticos, a la vez que en muchos casos se trata de eliminar esta transformación debido a la cantidad de calor que se genera perdiendo de esta forma energía en un sistema abierto. La relación obtenida en nuestro experimento fue de 1 Joules = 4.43 calorías, valor con un margen de error de 5% comparado con el de 4.18 calorías que es ser nuestro ideal, sin embargo como ya se ha mencionada esta desviación puede ser debido a factores y variables no consideradas las cuales pueden ser fugas de energía.
