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Universidad de La Salle, Informe, No 11

ANALISIS DE EQUIVALENTE ELECTRICO DEL CALOR 1

I.

David Mancera, 42162027; 2Marcela Tinoco; 3Laura Castro, 41142161; 4 Fernando Gonzalez,45151073, ABSTRACT

In the seventeenth century, the caloric theory was considered a fluid model that described how heat was transferred from one body to another, as well as explaining its physical behavior. The theory lasted for a long time and I support its veracity in a visual phenomenon: the production of flames in combustion processes. In 1667, the physicist and alchemist Johann Becher postulated the theory of phlogiston, which explained the phenomenon of combustion, which consisted basically in the exhaustion of said substance. The theory of caloric lost popularity from the first observations of Count Rumford, who managed to show that the heat generated by friction, coming from the mechanization of the guns in the arsenal of Munich, was almost inexhaustible. These works were the inspiration for Joule to demonstrate the equivalence between heat and other types of energy such as potential, gravitational or elastic energy. Keywords: equivalent, heat, potential energy. II.

RESUMEN

En el siglo XVII, la teoría del calórico se consideraba un modelo de fluido que describía como se trasfería el calor de unos cuerpos hacia otros, así como explicaba el comportamiento físico de este. La teoría perduro durante mucho tiempo y apoyo su veracidad en un fenómeno visual: la producción de flamas en los procesos de combustión. En 1667, el físico y alquimista Johann Becher postulo la teoría del flogisto, la cual explicaba el fenómeno de la combustión, que consistía básicamente en el agotamiento de dicha sustancia. La teoría del calórico perdió popularidad a partir de las primeras observaciones del conde Rumford, quien logro demostrar que el calor generado por fricción, proveniente de la mecanización de los cañones en el arsenal de Munich, era casi inagotable. Estos trabajos fueron la 1

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inspiración para que Joule demostrara la equivalencia entre calor y otros tipos de energía como la energía potencial, la gravitacional o la elástica. Palabras claves: energía potencial. III.

equivalente,

calor,

INTRODUCCION

A finales del siglo XVIII se presenta la primera revolución industrial, gracias a la transformación de energía térmica en energía mecánica. La invención de la máquina de vapor permitió grandes avances en el desarrollo económico, principalmente en Europa occidental y, en particular en Inglaterra. La invención de este artefacto se remonta a los griegos; en efecto, su creación se atribuye a Herón. No obstante, la construcción del primer aparato capaz de convertir energía térmica en energía mecánica sería posible gracias a James Watt, el primer ingeniero en

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utilizar este artefacto es toda la industria. Esta máquina llego a reemplazar los anticuados sistemas de transporte que funcionaban con la fuerza de animales de tiro y la propia fuerza del hombre. En esta práctica se pretende reproducir uno de los métodos para demostrar la equivalencia que existe entre la cantidad, denominada calor, y la energía que disipa una resistencia, cuando por esta pasa una corriente eléctrica. En 1840, James Joule efectuó un experimento crucial, en el cual demostró que el calor y otras formas de energía, por ejemplo, la energía mecánica, están relacionadas, en este experimento se evidencio la equivalencia entre la unidad típica de calor (caloría) y la unidad de trabajo mecánico (joule, actualmente) realizado sobre una mesa de agua que se agitaba vigorosamente mediante una rueda de paletas, la cual aumentaba la temperatura de dicha masa sin necesidad de utilizar una fuente térmica externa. Originalmente, Joule encontró que 772.24 lbf.ft (unidades inglesas) de trabajo eran necesarias para que una libra, fuerza y longitud para expresar estas cantidad cantidades en el sistema internacional de unidades, que son las que actualmente tienen mayor aceptación. Desde entonces, se define la caloría como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura en un grado Celsius de una masa de agua equivalente a un gramo. El experimento de Joule se desarrolló específicamente para que un gramo de agua aumentara su temperatura de 14,5°C a 15,5°C. La cantidad de trabajo necesario para producir este mismo efecto, en el sistema internacional de unidades, es de 1N.m =1 J. A esta equivalencia se le 1

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conoce como equivalente mecánico del calor y se expresa así: 1 𝑐𝑎𝑙 = 4185 𝐽

(3.1)

Durante mucho tiempo los ingleses adoptaron una unidad de uso exclusivamente técnico, denominada Btu (unidad térmica británica), para referirse a la cantidad de calor, que resulta ser igual a 1055 J. esta unidad usa como escala de temperatura los grados Fahrenheit, como unidad de masa el slug y como unidad de aceleración el pie por segundo al cuadrado (ft/s2). Con el objetivo de reproducir este experimento, en esta práctica de laboratorio se reemplaza la fuente de trabajo mecánico por una fuente de trabajo eléctrico, la cual suministra la energía necesaria para producir el mismo efecto hallado en el experimento original; de hecho, Joule también efectuó este experimento. Por esta razón, resulta natural denominar el experimento como el equivalente eléctrico del calor. IV.

MATERIALES Y METODOS

 Figura 4.1. Fuente:

http://www.extech.com.es/instruments/product.asp?cati d=39&prodid=212

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 Figura 4.2. Voltímetro:

 Figura 4.4. Termómetro:

https://www.google.com/search?q=termometro&rlz=1C1 GCEA_enCO780CO780&source=lnms&tbm=isch&sa=X &ved=0ahUKEwivwLWB75TiAhVP1VkKHfohAvUQ_A UIDigB&biw=1366&bih=657#imgrc=pizwL7pst5pa9M: https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enCO780 CO780&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=8njX XMCnBJHf5gKF34CIBA&q=voltimetro&oq=voltimetro &gs_l=img.3..0i67l2j0l5j0i67j0j0i10.107877.109867..110 149...0.0..0.227.1724.0j8j2......0....1..gws-wizimg.dCjBcDQaqbk#imgrc=GuNFGVj6iTGPMM:

 Figura 4.5. Resistencia:

 Figura 4.3. Amperímetro:

https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enCO780 CO780&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=uXrX XObWNMKd5wKnpo6QBA&q=resistencia+electrica&oq =resistencia+elect&gs_l=img.1.0.0l10.5890.8825..10159... 0.0..0.2570.5215.2-2j1j1j7-1j0j1......0....1..gws-wizimg.......0i67.v7gZ5h76DXs#imgrc=gWlZrnFPbO7EZM:

 Figura 4.6. Agitador:

https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enCO780CO7 80&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=YXnXXNqcH MWC5wKW56KoAQ&q=amperimetro&oq=amperimetro&gs _l=img.3..0i67l2j0l6j0i67l2.171738.173081..173313...0.0..0.17 7.1699.0j11......0....1..gws-wizimg.9WVfy6TBE_0#imgrc=nLrh1FVmbftE8M:

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https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enCO780 CO780&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=xXrX XIKKEtHy5gKYgZlg&q=agitador&oq=agitador&gs_l=i mg.3..0l10.82777.85045..85189...1.0..0.292.1595.0j4j4...... 0....1..gws-wizimg.......0i67j0i10i24.mIKk3c3uMYE#imgrc=VTQe6ZnO 7Bg_CM:

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 Figura 4.7. Cronometro:

https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enCO780CO7 80&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=G3vXXMfCIc 7l5gKllbOgDw&q=cronometro&oq=crono&gs_l=img.1.0.0i67 j0l9.68596.69385..70608...0.0..0.158.729.0j5......0....1..gwswiz-img.FueCvBAL1nA#imgrc=ft4StVMDJ28ZBM:

Para el desarrollo de la práctica, pesamos el vaso del calorímetro que nos fue proporcionado para la práctica, y le agregamos 200 cm3 de agua. Colocamos la resistencia dentro del agua (1,4 Ω), la cual se encontraba instalada en la tapa del calorímetro, y un termómetro para medir la temperatura del agua. Conectamos la resistencia a una fuente, un amperio para medir la corriente que pasa por ella y un voltímetro para medir su voltaje, como se observa en la figura 4.8. Figura 4.8. Montaje para el experimento del equivalente eléctrico del calor.

Fuente: Propia

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Prendimos la fuente y ajustamos el voltaje hasta obtener aproximadamente una corriente de 3ª en la resistencia. Apagamos la fuente y esperamos aproximadamente 5 minutos, volvimos a tomar los 200 cm3 de agua y le tomamos la temperatura y anotamos su valor en la tabla 4.1. Prendimos nuevamente y simultáneamente, inicio a correr el cronometro para tomar los tiempos de cambio de temperatura. Medimos los valores de la corriente y el voltaje en la resistencia, cada vez que subía 1°C la temperatura como se puede evidenciar en la tabla 4.2, mientras íbamos moviendo el agitador para distribuir homogéneamente el calor en el agua. Tabla 4.1 Datos Entrada DATOS ENTRADA T° INCIAL TOMA 1 T° INCIAL TOMA 2 PESO AGUA mcalorimetro CALOR ESPECIFICO COBRE (cal) CALOR ESPECIFICO AGUA (cal) 1 cal

Fuente: Propia

18 18,5 0,2 0,0522 909 4186 4,186

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T °C

TOMA 1

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

TOMA 2

TIEMPO (s) 132,60 243,60 381,60 511,80 672,00 814,80 978,60 1111,80 1276,80 1448,40 1624,20 PROM 836,02 68,40 144,00 324,00 481,20 618,60 742,80 856,80 1103,40 1274,40 1456,80 1630,80 PROM 791,02

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

CORRIENTE VOLTAJE (A) (v) 2,63 3,40 2,62 3,39 2,62 3,25 2,61 3,15 2,60 3,07 2,60 3,00 2,59 2,99 2,59 2,97 2,59 2,95 2,58 2,98 2,58 2,95 2,60 3,10 2,59 3,08 2,59 3,05 2,58 2,99 2,58 2,96 2,58 2,97 2,58 2,96 2,57 2,95 2,57 2,93 2,57 2,90 2,57 3,10 2,56 3,11 2,58 3,00

Fuente: Propia

11135,88 12361,79

9153,46 10038,11

17,80 18,80

545,64 1137,53 2499,40 3674,83 4740,08 5672,62 6495,83 8308,71 9498,10 11606,33 12983,78

749,29 1633,94 2518,59 3403,24 4287,89 5172,54 6057,19 6941,84 7826,49 8711,14 9595,79

17,18 22,94 0,59 6,45 8,43 7,87 5,79 15,98 17,14 26,00 27,41

Fuente: Propia Figura 1. Energía Vs Equivalente Eléctrico (Toma 1).

Energia Vs Equivalente Electrico TOMA 1 Q(T)(cal)

Tabla 4.2 Datos para el experimento de Joule

12000.00 10000.00 8000.00 6000.00 4000.00 2000.00 0.00

y = 0.7949x + 418.44 R² = 0.9981

0.00

5000.00

Tabla 4.3 Calculo energía y equivalente eléctrico u(t)(J) 1185,71 2163,61 3249,32 4207,76 5363,90 6355,44 7578,38 8552,30 9755,39 1

Q(t)(cal)

%ERROR

1191,62 2076,27 2960,92 3845,57 4730,21 5614,86 6499,51 7384,16 8268,81

0,50 4,04 8,88 8,61 11,81 11,65 14,24 13,66 15,24

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10000.00

u(t)(J) Series1

Fuente: Propia

Linear (Series1)

15000.00

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Figura 2. Energía Vs Equivalente Eléctrico (Toma 2).

Q(T)(cal) Vs u(t)(J) (TOMA 2) 12000.00

y = 0.7055x + 864.97 R² = 0.9866

Q(T)(cal)

10000.00

Cálculo porcentaje de error: Dato 1 %𝐸𝑅𝑅𝑂𝑅 =

𝑇𝐸𝑂𝑅𝐼𝐶𝑂 − 𝐸𝑋𝑃𝐸𝑅𝐼𝑀𝐸𝑁𝑇𝐴𝐿 ∗ 100 𝑇𝐸𝑂𝑅𝐼𝐶𝑂

%𝐸𝑅𝑅𝑂𝑅 =

8000.00 6000.00

1185,71 − 1191,62 ∗ 100 1185,71

%𝑬𝑹𝑹𝑶𝑹 = 𝟎, 𝟓𝟎 %

4000.00

VI.

2000.00 0.00 0.00

5000.00

10000.00

15000.00

u(t)(J) Series1

Linear (Series1)

Fuente: Propia V.

CALCULOS

Cálculo energía: Dato 1 𝑢 =𝐴∗𝑉∗𝑡 𝑢 = 2,63 ∗ 3,40 ∗ 132,60 𝒖 = 𝟏𝟏𝟖𝟓, 𝟕𝟏 AVS Calculo equivalente eléctrico: Dato 1 𝑄 (𝑚𝐻2 𝑂 ∗ 𝐶𝐻2 𝑂 ∗ ∆𝑇) + ( 𝑚𝑐𝑎𝑙 ∗ 𝐶𝑐𝑎𝑙 ∗ ∆𝑇) +(𝑚𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ∗ 𝐶𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ∗ ∆𝑇) = 𝐽 𝑄 0,2 ∗ 4186 ∗ 1 + 0,0522 ∗ 909 ∗ 1 + 0,2522 ∗ 5095 ∗ 1 = 4,186 𝑸 = 𝟏𝟏𝟗𝟏, 𝟔𝟐 cal

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ANALSIS DE RESULTADOS

En esta práctica logramos hallar la energía suministrada al sistema, la cual fue para el experimento energía eléctrica, mediante la expresión: E=VIt que se puede apreciar en la tabla 4.3 de los resultados, al igual que la energía transformada en calor que se puede apreciar en la tabla 4.3. Al hallar el porcentaje de energía eléctrica que no se transforma en calor encontramos valores menores al 10% como 0,50 y 0,59 porciento, pero también algunos altos como del 27,41%, teniendo un promedio del % de error para la primera toma de 11,38% y para la segunda toma del 14,16%. VII.

CONCLUSIONES

Los porcentajes de error altos, pudo deberse a errores humanos, como pudo ser el tiempo, ya que es bastante difícil medir justo en el momento exacto que se desea obtener este valor y se sabe que el tiempo es una variable muy importante en la fórmula que usamos E = VIt. Durante el desarrollo de la práctica pudimos observar claramente la transformación de energía eléctrica en energía calorífica, esto observado la diferencia de temperatura registrada en el termómetro al hacer pasar una corriente

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por la resistencia. Es bueno 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. Cumplimos con el objetivo principal de la práctica, el cual era observar la conservación de la energía en una transformación de energía calórica, y algo que se puede afirmar es que nunca se tendrá un rendimiento del 100% en la transferencia de energía eléctrica a energía calórica. Bibliografía [1] Bustamante, A., Dueñas, J., V rela, D., Vinasco, M. (2014) Guía para practicas experimentales de física. Bogotá: Universidad de la Salle.

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