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• Jessy Horna

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS

“Año de la Universalización de la Salud”

FACULTAD DE INGENIERÍA “” Curso: Laboratorio Física II Docente: Ing. Lenin Araujo Castillo Integrantes:     

Galarreta Díaz, George Erick (N00233234) Galarreta Díaz, Wendy Fabiana (N00083148) Coordinadora Gonzales Gonzalez, Oscar (N00242247) Horna de la Cruz, Sarita (N00092425) Peláez Rojas Dante Isac (N00220139)

Turno: Tarde Grupo: 3062

Trujillo – Perú 2020

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS

EXPERIMENTO DE JOULE 1. OBJETIVOS:  Determinar el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía (joule) y la unidad de calor (caloría) 2. FUNDAMENTO TEÓRICO: En el siglo XIX, Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas eran también distintas. La unidad de calor que se empleaba era la caloría. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada desde 14,5ºC a 15,5ºC. Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica. El aparato que empleó se muestra en la siguiente figura. En el interior de un recipiente se introduce 1 kg de agua a 14,5 ºC. Al recipiente se le acoplan unas paletas conectadas mediante una cuerda con una masa que puede caer. Conforme la masa cae a velocidad constante, las paletas giran, por lo que se convierte la energía potencial gravitatoria de la masa en energía para hacer girar las paletas. Debido a este giro, el agua aumenta de temperatura (el giro de las paletas se transforma en calor). Lo que encontró Joule fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de agua hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios. Por tanto, la equivalencia entre unidades de calor y energía es:

4186 J = 1000 cal = 1 kcal → 1 cal = 4,186 J El descubrimiento de Joule llevó a la teoría de la conservación de la energía lo que a su vez condujo al desarrollo del primer principio de la Termodinámica. En esta experiencia se realizará colocando una masa M suspendida desde una altura h. En el recipiente se tiene agua a una temperatura T0. Cuando se suelta la masa, las paletas giran realizando un trabajo mecánico lo que resulta en un aumento de temperatura T. Se calcula el equivalente con la expresión:

𝑀𝑔ℎ

𝑐 =𝑚(𝑇−𝑇𝑂)

…. (1)

3. PALABRAS CLAVE: Calor, temperatura, calorimetría, experimento de Joule, energía térmica, trabajo y energía, conservación de la energía, termodinámica, intercambio de calor.

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4. ACTIVIDAD VIRTUAL: En el siguiente enlace del Curso Interactivo de Física en Internet (de Ángel Franco García) realizaremos la actividad virtual propuesta:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/joule/joule.html

En esta aplicación se recrea el experimento de Joule en el que una masa se deja caer y mueve las paletas dentro un recipiente con agua. Estas paletas giran al caer la masa desde una altura determinada generando calor lo que resulta en un aumento de temperatura en el agua. Se muestra el termómetro que registra el incremento de temperatura cuando la masa es dejada caer. Los controles de los parámetros para la aplicación son: 

La masa m de agua en el recipiente (en g) en el control Masa agua

   

La masa M de del bloque (en kg) en el control titulado Pesa que cuelga El botón Nuevo para reiniciar cuando se hacen cambios en los valores de los parámetros. El botón Play para iniciar la simulación y el botón Pausa para pausarla en un instante dado. Se muestra el cambio de temperatura registrada en el agua.

Actividad:  En el control Masa agua seleccionamos con el control deslizable 80 g (también se puede ingresar con el teclado)  En el control Pesa que cuelga seleccionamos 20 kg (también se puede ingresar con el teclado)  Consideramos la altura h de 1 m, y la temperatura T0 que se muestra junto al termómetro.  Anotamos estos valores en la Tabla 1.  Hacemos click en el botón Nuevo para empezar la simulación y luego en el botón Play  Realizamos otras mediciones variando de 20 los valores de la masa del agua y el peso del bloque de 10 en 10 hasta lograr 5 mediciones en total

Tabla 1:

M (kg)

m (kg)

h (m)

T0 (°)

T (°)

1

20

0,08

20

20,59

2

30

0,1

20

20,70

3

40

0,12

20

20,78

4

50

0,14

20

20,84

5

60

0,16

20

20,88

1, 00

5. PROCESAMIENTO DE DATOS: Utilizando la ec. (1), realizamos el cálculo del equivalente mecánico del calor y el promedio de estos (utiliza cuatro cifras decimales). Anotamos los resultados en la tabla 2:

𝑐=

𝑀𝑔ℎ 𝑚 (𝑇 − � 𝑇) �

Tabla 2:

C (en J)

1

2

3

4

5

4156,78

4204,29

4192,31

4170,92

4180,39

Promedio

4180,94

6. RESULTADOS: El promedio del equivalente mecánico del calor y el valor teórico:

c (Teórico ) 4,1860

c (Promedio)

4180,94

Diferencia ∆c

5,06

7. CUESTIONARIO: 7.1. ¿Qué pasaría si hay menos agua en el recipiente? ¿Será mayor la temperatura que aumenta? Explique 7.2. ¿En todos los casos siempre hay aumento de temperatura? Justifique su respuesta. 7.3. ¿Tiene relación las aspas que giran dentro del recipiente realizando trabajo? Explique

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: o Raymond A. Serway; FísicaTomo I; Editorial McGraw–Hill. o Tipler Mosca; Física para la ciencia y la tecnología Vol. I; Editorial Reverte. o Miguel Ángel Hidalgo Moreno; Laboratorio de Física; Editorial PEARSON EDUCACIÓN. o Sears –Zemansky; Física universitaria; 12ª. Edición; Vol. 1; Editorial ADDISON-WESLEY o http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/joule/joule.html

ANEXOS Tabla 1:

TABLA 2:

TABLA 3: