Resumen: A través de la realización de esta práctica se encontró la relación entre la energía potencial eléctrica perdida en un elemento resistivo. Así mismo, se determinó el equivalente eléctrico del calor con la ayuda de la conservación de la energía. Estos postulados se llevaron a cabo por medio de la cuantificación de un circuito simple con un elemento resistivo, midiendo el calor disipado proveniente de la circulación de cargas a través de la resistencia. Esto fue posible gracias la medición del aumento de la temperatura del agua, que contenía el calorímetro. Se conectó el circuito, y se ajustó el reóstato y la fuente para que circulara una corriente eléctrica de 2 A. posteriormente se detectó la temperatura dentro del calorímetro. Se tomaron los datos de Temperatura, Voltaje y Corriente eléctrica iniciales. Se tomó 10 datos de la temperatura en función del tiempo, teniendo en cuenta que la temperatura final fuera 10°C por encima de la temperatura inicial, se realizó el mismo procedimiento para dos diferentes valores de agua, que se diferenciaban en aproximadamente 50 g de diferencia. Los valores de Mc para cada caso fueron: _______ m1, __________m2, __________m3.
Introducción: En 1840, James Prescott Joule envió un escrito llamado "La Producción del Calor por Electricidad Voltaica" a la Royal Society en Londres, donde descubrió que la cantidad de calor producida por segundo en un alambre o cable que conduce una corriente eléctrica, es igual a la corriente (I) elevada al cuadrado por la resistencia (R) del alambre o cable. El calor producido es la energía eléctrica perdida o desperdiciada (P). (P = I x I x R), esta relación es conocida como la "Ley de Joule". Inicialmente la Royal Society mostró poco entusiasmo por el escrito de Joule, y no publicó sus resultados completos. El trabajo de Joule en la relación del calor, la electricidad y el esfuerzo mecánico fue en su mayoría ignorado hasta 1847. En un escrito clave, en 1848, Joule fue la primera persona en calcular la velocidad de una molécula de gas, aproximadamente 1,500 pies por segundo para una molécula de oxígeno a temperatura temperatura promedio. Este Este descubrimiento descubrimiento mostraría mostraría los fundamentos para la futura Teoría Cinética de los Gases. Científicos renombrados como Michael Faraday y George Strokes reconocieron su trabajo, y en 1849, patrocinado por Faraday, Joule leyó su escrito "En el Equivalente Mecánico del Calor" a la Royal Society. Finalmente, en 1850, la Royal Society publicó su trabajo y lo eligió como miembro. Joule también fue presidente de la Asociación Británica en 1872 y en 1887. En 1852, William Thomson (Lord Kelvin) dándose cuenta de la importancia del trabajo de Joule, empezó a trabajar con él. Thomson y Joule trabajaron juntos por ocho años y desarrollaron el "Efecto Joule-Thompson", que explica el efecto refrigerante que se experimenta cuando los gases se 1 expanden sin hacer ningún trabajo externo sobre ellos. El efecto Joule es un fenómeno que explica el cambio de energía eléctrica en energía calórica. Cuando una corriente I pasa por una resistencia, se producen choques entre los electrones y la resistencia se calienta. Esta energía provocada se transfiere hacia el medio ambiente, la cual se manifiesta como calentamiento, viéndose el efecto en el aumento de la temperatura del medio.
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http://www.electricalfacts.com/neca/people_sp/history/joule.shtml (Revisado 21 de Octubre de 2014)
Por lo general, el efecto Joule es un efecto no deseable, puesto que son pérdidas que implicarán una reducción del rendimiento eléctrico. Sin embargo, este efecto se puede aprovechar cuando lo que queremos es convertir la energía eléctrica en calorífica. Ejemplos de la aplicación de esta ley son la plancha, la parrilla eléctrica, los secadores de pelo y las resistencias que se utilizan en los refrigeradores sin escarcha para derretir el hielo acumulado durante su funcionamiento en el evaporador. Marco Teorico:
La rapidez con que se transfiere la energía potencial eléctrica de las cargas que circulan por el circuito al ambiente es
(Ec. 1),
donde
V
es la caída de potencial de la
resistencia, I la corriente que circula por ella.
La energía eléctrica cedida durante un tiempo t es:
∫ Ec. 2
Si la resistencia se sumerge en cierta cantidad de agua, a una temperatura inicial, la cual está contenida en un calorímetro, por el principio de la conservación de la energía, la energía disipada por la resistencia es transformada en energía calórica, siendo esta energía calórica, Q, dada por: Ec.3
Ec. 4
Siendo Q calor, m masa, y c el calor especifico. Dado que el calor específico está dado en
, la energía calórica estará dada en caloría,
como la energía eléctrica está dada por Joule, se encuentra un término llamado equivalente mecánico de calor, J, y está dado por:
∑ Si se reescribe la ecuación anterior, teniendo como magnitudes a medir la temperatura y el tiempo, se tiene:
∑ Ec.6
Si se grafican resultados experimentales de la temperatura T en función del tiempo t, la pendiente estaría descrita por:
Ec. 7
Si la pendiente anterior se multiplica por VI y se divide por el factor de la constante J en Joules/Caloría, quedando finalmente:
∑
∑ , dará el inverso
Esta ecuación, al graficarla, permite medir experimentalmente la constante de equivalente mecánico de calor J. Es muy difícil conocer con buena precisión todos los factores que intervienen en la sumatorio, como la masa por la capacidad calorífica de los electrodos, filamentos, etc. Esto quiere decir que no se podría calcular el valor de J con la precisión necesaria. Pero de la expresión para la pendiente en la ecuación 7, se obtiene:
Esta es una expresión lineal entre el inverso de la pendiente y la masa del agua.
En la práctica se obtienen los datos experimentales para 1/m y la masa del agua. Al graficar estas dos variables, se obtendrá una pendiente, la cual será proporcional a la capacidad calorífica del agua, multiplicada por factores que fueron establecidos en la práctica. Procedimiento experimental: Los materiales usados en esta práctica son: - Calorimeto con resistencia eléctrica - Fuente de potencial de 6 V - Reostato de 0 44 Ω, Imax = 3.5 A - Cables de Conexión - Termometro - Cronometro - Voltimetro - Balanza Para llevar a cabo el experimento se realizó el montaje de un circuito simple con un elemento resistivo con el fin de medir el voltaje, corriente y temperatura en función del tiempo y así, medir el calor disipado. Teniendo en cuenta las variables del sistema: la caída de potencial en la resistencia del calentador VR , la corriente eléctrica I que circula por la resistencia, la temperatura inicial Ti y la temperatura final Tf después de un tiempo t dado, se determinó el calor disipado colocando la resistencia en un calorímetro con agua y midiendo el aumento de la temperatura del agua en el calorímetro. Primero se determinó la masa del agua añadida pesando el vaso pequeño del calorímetro vacío, y luego se agregó en el vaso cierta cantidad de agua (alrededor de 200g) y se pesó Nuevamente. Posteriormente, se ajustó tanto el reóstato como la fuente para que circulara una corriente de 2 a 3 A aproximadamente. Se Tapó el calorímetro, seguidamente se introdujo el extremo
sensible del termómetro dentro del mismo; luego se conectó el otro extremo del detector al canal A de la caja de interface. Finalmente se cerró el interruptor y simultáneamente se disparó el cronómetro. Los valores iniciales de I, V y Ti se llevaron a la tabla de datos. Los valores de T, I, V se tomaron en función del tiempo, se tomó el tiempo cada que la temperatura del agua aumentaba en 1 °C Obteniéndose así 10 datos en donde la temperatura final por o menos 10°C por encima de la temperatura inicial. Para obtener una distribución homogénea del calor en el agua se hizo uso del agitador. El procedimiento anterior se rehízo en dos oportunidades más, esta vez cambiando la masa del agua alrededor de 50 g de diferencia con la masa inicial.