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EFECTO JOULE UNIVERSIDAD DEL CAUCA Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educación Departamento de química 1. INTRODUCCION El objetivo principal de esta práctica es analizar el efecto que se presenta en el calentamiento del agua en el circuito eléctrico dado en la guía; este elemento se denomina resistencia calefactora y el recipiente que contiene el agua se llama “vaso calorímetro”. El efecto Joule, es la producción de calor en un conductor cuando circula una corriente eléctrica a través del mismo; aquí la energía eléctrica es transformada en energía térmica, esto debido a los continuos choques de los electrones contra los iones metálicos del conductor, produciéndose un intercambio de energía cinética, que provoca un aumento de temperatura del conductor; esta idea fue la base fundamental de James Prescott Joule, quien formuló la ley actualmente conocida como ley de Joule que establece que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica cada segundo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente. Joule verificó experimentalmente la ley de la conservación de energía en su estudio de la conversión de energía mecánica en energía térmica

2. MARCO TEORICO

Encontramos siempre que cuando hay fricción en un sistema mecánico, se pierde un poco de esta o no se conserva, existen muchos experimentos que muestran que esta energía mecánica no desaparece sino que se transforma en energía térmica. Fue James Prescott Joule (1818-1889) quien estableció la equivalencia de dos formas de energía. Cuando a una sustancia se le añade calor (sin hacer trabajo) suele aumentar su temperatura. (Una excepción a esto, es cuando una sustancia experimenta una transición de fase). La cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una masa dada de una sustancia en cierta cantidad varía de una sustancia a otra. James Prescott Joule (1818-1889), físico británico, nacido en Salford (Lancashire). Fue uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre todo por su investigación en electricidad y termodinámica; Joule formuló la ley de conservación de la energía. Esta ley, que afirma que la suma de las energías cinética, potencial y térmica en un sistema cerrado permanece constante, se conoce en la actualidad como primer principio de la termodinámica. En la mecánica clásica, las leyes fundamentales son las de conservación del momento lineal y del momento angular. Otra ley de

conservación importante es la ley de conservación de la carga eléctrica.

de calor suministradas o recibidas

- La capacidad calorífica ( C’) de una muestra de partículas de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de esa muestra en un grado Celsius o sea Q: C’∆T. Es decir si Q unidades de energía térmica se agregan a una sustancia y producen un cambio de temperatura ∆T. - El calor especifico ( c): es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial; Se le representa con la letra (minúscula).

determinar el calor específico de un

Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es donde de la sustancia

es la masa

- Calorimetría: Medida del calor especifico; Técnica para medir el calor

específico

de

sólidos

o

líquidos, consta sencillamente de calentar las sustancias hasta cierta temperatura,

colocarla

en

un

recipiente con una masa dada de agua

a temperatura conocida y

medir la temperatura del agua una vez que sea alcanzado el equilibrio. - calorímetro: es un instrumento que sirve para medir las cantidades

por los cuerpos. Es decir, sirve para

cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

3. MATERIAL       

Calorímetro Termómetro Fuente Cronómetro Resistencia calefactora. Agitador Balanza

4. PROCEDIMIENTO Se procedió a construir el montaje que se muestra en la figura 1, posteriormente se pesó el calorímetro vacío, después el calorímetro más el agua para los dos procedimientos realizados, después este sistema se conectó a una fuente (voltaje de la fuente 14.5 v), registrando las diferentes medidas de voltaje y corriente hasta un límite del t = 30ºC en intervalos de tiempo de 1 min. Después de esto se proseguía a desconectar la fuente notando que el sistema alcanzaba una temperatura estable en un tiempo determinado. Figura1. Montaje realizado en el laboratorio

5.2 Procedimiento N° 2. - Datos de la masa de los diferentes sistemas:

5. DATOS EXPERIMENTALES 5.1 Procedimiento N° 1. - Datos de la masa de los diferentes sistemas:  Peso del calorímetro vacío = 46,5 g  Masa del agua+ calorímetro= 246, 5 g  Masa del agua = 200 g Tabla 1. Medidas del voltaje, corriente, temperatura y el tiempo obtenidas durante el procedimiento.

t (min) 1.20

V (v)

I (A)

T(ºC)

4.85

1.71

23

3

4.82

1.71

24

6.08

4.81

1.71

25

7.57

4.81

1.71

26

10

4.80

1.71

27

11.47

4.79

1.71

28

15.38

4.78

1.71

29

18.14

4.77

1.71

30

20.35

4.76

1.71

31

23.78

4.75

1.71

32

 Peso del calorímetro vacío = 46,5 g  Masa del agua+ calorímetro= 293,25 g  Masa del agua = 235.64 g Tabla 2. Medidas del voltaje, corriente, temperatura y el tiempo obtenidas durante el procedimiento.

t (min)

V (v)

I (A)

T(ºC)

2.15

4.73

1.70

1

4.29

4.72

1.70

2

8.11

4.72

1.70

3

10.24

4.71

1.70

4

13.05

4.71

1.70

5

16.16

4.71

1.70

6

19.20

4.71

1.70

7

22.15

4.70

1.70

8

25.36

4.70

1.70

9

28.33

4.69

1.70

10

OBSERVACION.

La

inicial fue de 21 ºC

6. RESULTADOS: OBSERVACION. inicial fue de 22 ºC

La

temperatura

temperatura

6.1. Graficar temperatura contra tiempo

para

cada una

de

Grafica N° 2: temperatura-tiempo

las 12

muestras.

10

6.1.1 procedimiento N° 1.

8

T ºC

Grafica 1: temperatura vs tiempo. 35

4

30

2

25

0 0

20

T ºC

6

y=x R² = 1

15

5

10

15

tiempo (min)

10

6.2. Calcule para cada caso el

5

producto VI ó su promedio

0 0 y = x + 22 R² = 1

5 tiempo (minu)

10

15

6.2.1 Procedimiento N°1. P= V*I ∑ V = 4.79 V. ∑ I = 1.71 A. Por lo tanto la potencia (trabajo) es P = 4.79 ∗ 1.71 P = 8.20watts. 6.2.2 Procedimiento N°2. ∑ V = 4.71 V.

6.1.2 Procedimiento N° 2.

∑ I = 1.70 A.

Por lo tanto la potencia (trabajo) es

que el cambio de la temperatura es

P = 4.71 ∗ 1.70

proporcional al tiempo, es decir a

P = 8.007watts. 6.3

Equivalente

De las gráficas (1 y 2) se observa

medida que el tiempo transcurre la en

agua

del

calorímetro:

temperatura aumenta ya que las gráficas obtenidas son funciones crecientes. Para el incremento de la temperatura podemos decir que este se presenta

6.3.1 Procedimiento N°1. Datos:

proporcionalmente con el tiempo porque la ley de Joule establece que la energía cedida durante cierto

 Peso del calorímetro vacío = 46,5 g  Cagua= 1 Cal/gr.ºC  CAluminio= 0,22 Cal/gr°C.  Masa del agua = 100 g

tiempo en el sistema se convierte en calor (principio de conservación de la energía) o sea la energía térmica es equivalente al trabajo realizado (P: VI); ya que la energía disipada

MC = 100g*1Cal/gr°C + 46.5g*0.22 Cal/gr°C

en forma de calor es ganada por el calorímetro, lo cual hace que haya

MC = 110.23 Cal/gr°C.

variación en la temperatura.

6.3.1 Procedimiento N°2.

En el generador se crea un campo eléctrico a expensas de energía química o mecánica. Esta energía se emplea en acelerar los electrones del metal, comunicándoles energía cinética. Los electrones pierden parte de esta energía en los inevitables choques con los átomos que constituyen el metal; estos átomos pueden oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio en la red metálica, y al incrementar su energía cinética de oscilación o de vibración se eleva la temperatura del conductor

Datos:  Peso del calorímetro vacío = 46,5 g  Cagua= 1 Cal/gr.ºC  CAluminio= 0,22 Cal/gr°C.  Masa del agua = 300 g

MC = 300g*1Cal/gr°C + 46.5g*0.22 Cal/gr°C MC = 310.23Cal/gr°C. 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS:

Para los materiales superconductores, la resistencia eléctrica es cero, por lo tanto no se produce en ellos calentamiento del efecto Joule. 8. CONCLUSIONES: 

Durante la realización del laboratorio se pudo comprobar que la energía eléctrica se transforma en un tipo de energía térmica, lo que explica claramente la



variación de la temperatura aunque los valores de corriente y voltaje permanezcan constantes. Por otra parte si se utilizara otro liquido diferente al agua no afecta mucho el comportamiento de lo estudiado ya que la variación en la capacidad calorífica de los líquidos no es de gran magnitud.

ANEXO 1. Explique lo más clara y brevemente posible el significado de las siguientes cantidades y/o conceptos:  Una caída de voltaje de 5V en una resistencia dada. Según la ley de Ohm, cuando por una resistencia eléctrica "R", circula una corriente "I", se produce en ella una caída de tensión "V" entre los extremos de la resistencia cuyo valor viene dado por: V=I*R I = V/R R = V/I En el Sistema Internacional I (intensidad o corriente) viene dada en Amperios, V (voltaje o tensión) en Voltios y R (resistencia) en Ohmios.  Una caloría. Es una unidad de medida de energía que significa la cantidad de energía calorífica que se necesita para que un gramo de agua suba un grado de temperatura.  Calor especifico de una sustancia dada. Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es donde es la masa de la sustancia.  Potencia eléctrica suministrada por una fuente de voltaje a un conductor. La potencia suministrada por una fuente de voltaje es igual al producto de su voltaje por la corriente producida o entregada a un conductor.

P = Ex I  Potencia eléctrica consumida por una resistencia dada. La potencia consumida por una resistencia (potencia disipada) es igual a: P = R. I2 o también P= V2 / R La unidad de potencia eléctrica es el vatio. 1 vatio = 1 voltio x 1 amperio 2. Por una resistencia R circula una corriente de 3.25 amperios y la caída potencial entre sus extremos es de 5.76 voltio. Cuál es el valor de R? cual es la potencia que disipa? Para calcular R necesitamos de una ecuación en la cual combine la corriente con la caída del voltaje, como la potencia eléctrica P consumida en una resistencia puede expresarse bien en la forma P = I.V siendo I la intensidad de corriente, V la caída de potencial entre sus extremos, bien en la forma P = I². R que combina la anterior ecuación con la ley de Ohm V = I.R. sustituyendo en la anterior ecuación tenemos R=V/I  R=5.76 V/3.25 A= 1.7723 V/A 3. Si la resistencia del problema 2 se coloca en un calorímetro de aluminio (calor especifico de Al es 0.22 cal /g ºc)de masa 60 g, con 220g de H2O a 24 ºC.(desprecie la capacidad calorífica de la resistencia ).Cual es la temperatura del sistema 500 segundos más tarde, suponiendo que toda la energía eléctrica se convierte el calor en el agua y en el calorímetro. Si introducimos en un recipiente con agua una resistencia eléctrica y aplicamos una diferencia de potencial V, observamos el paso de una intensidad de corriente I. La energía W generada al cabo de un tiempo t, es: W = VIt, donde V voltaje, I intensidad, t tiempo. Esta energía se transforma en calor. La cantidad de calor generado en el tiempo t se invierte en elevar no solo en elevar la temperatura del agua sino también las paredes del recipiente.por lo tanto Q=VIt. Por otro lado utilizando los valores anteriores (problema 2) se puede utilizar la siguiente ecuación. Q= V2t R Donde, Q es calor, V voltaje, t tiempo, R resistencia Remplazando, tenemos. Q= (5.76 V)2* (500 seg)

Q=9360J

1.7723 V/A Pero Q= C0(m+MC)(T2-T1) (*) Donde C0 es el calor especifico del agua, m masa del agua MC Equivalente en agua del calorímetro, T temperatura.

Como , sustituimos y encontramos el equivalente MC = 220g*1Cal/gr°C + 60g*0.22 Cal/gr°C MC = 233.2Cal/gr°C. Debido a 1 cal es igual 4.184J entonces, MC = 975.7J/gr°C. Y despejando de (*) T2=Q/C0(m+MC)+T1 Sustituyendo nos queda T2=9360 J/(4.184J/gºC)(220g+975J/gºC)+24 ºC Por lo tanto T2=25.87ºC

9. BIBLIOGRAFÍA  SERWAY, R. Física Tomo 2, Mc Graw Hill, México, 1999. Pág. 776-780.  TIPLER, H. Física Tomo 2. Capítulo 22. Pág 722.  QUINTERO, Víctor Manuel, Circuitos Eléctricos I, Editorial Unicauca, Pág 39 – 42  http://www.fisicanet.com.ar/fisica/electrodinamica/ap02_potencia_electric a.php