EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Jose Ignacio Moreno IES Fray Luis de Granada
Juan de Dios Jiménez, Carlos Sampedro. Exploralab. Parque de las Ciencias.
INTRODUCCIÓN:
El concepto de energía está relacionado con la capacidad que tiene un sistema para, en definitiva,
transformar algo. Como ya estudiaste en 2º de ESO, la energía se puede encontrar en distintas
formas: energía cinética (asociada a la velocidad de las partículas o sistemas), energía potencial
(asociada a la posición de los cuerpos en un campo de fuerzas), luz, sonido,etc.
Los sistemas pueden intercambiar también energía y esto lo hacen en forma de trabajo o en forma
de calor. Recuerda que el calor no es mas que una energía en tránsito desde un sistema a otro a
menor temperatura.
OBJETIVO:
Estudiar la transferencia de energía desde una resistencia eléctrica al agua, obteniendo, a partir de
los resultados una medida del equivalente eléctrico del calor. Determinar la energía (en julios)
equivalente a 1 caloría .
EL CALOR ES UNA FORMA DE ENERGÍA:
Se denomina calor al valor de la energía intercambiada entre un sistema y sus alrededores, debido
a los intercambios internos de energía que se producen como resultado de colisiones entre las
moléculas del sistema y las moléculas de los alrededores
No se debe considerar el calor como una forma nueva de energía o una forma diferente de energía.
Calor es sólo un nombre dado a una forma especial de intercambio de energía entre las partículas
de dos sistemas.
Consideraremos toda transferencia de energía hacia el sistema positiva y toda transferencia que
salga del sistema, negativa. Por lo que respecta al calor, se dice que, en el primer caso, el sistema
absorbió calor y en el segundo caso, que el sistema liberó calor.
La caloría se introdujo en un principio como unidad para medir el calor cuando la naturaleza de éste
era desconocida. Pero la caloría es simplemente otra unidad que mide energía y no calor
exclusivamente. Así pues, como calor es energía, se puede medir también en julios.
Encontrar la equivalencia entre julios y calorías es el propósito de esta práctica; fue determinada
primero por Joule en una serie de experimentos iniciados en 1843 y con frecuencia se le ha llamado
"equivalente Joule". Es usual denominarlo equivalente mecánico del calor y, el valor que se usa es
de 1 caloría = 4.1840 J.
La resistencia que se usará en esta práctica trabaja conectada a una fuente de energía eléctrica que,
por un fenómeno denominado "efecto Joule", libera calor.
Cuestionario de pre-laboratorio:
1. ¿Qué es el calor?. ¿Qué relación existe entre los conceptos de calor y energía?. ¿Poseen los
cuerpos calor?.
2. ¿En qué unidades se mide el calor?
3. Elabora el diseño del experimento. ¿Cómo podemos medir la equivalencia entre el julio y la
caloría?
MATERIAL:
Hilo de nicrom, una aleación obtenida con níquel, cromo y hierro. Con este material se pueden
hacer cables que disipan una gran cantidad de calor, proceso que es aprovechado en múltiples
aparatos.)
Agua a temperatura ambiente, probeta, Lab-Quest con sensores de temperatura, intensidad de
corriente y diferencias de potencial, vaso aislante, pila de petaca de 4,5 v
PROCEDIMIENTO PROPUESTO.
1) Vierte 100 ml de agua en el vaso de material aislante. Supervisa que el hilo de nicrom esté
debidamente colocado de modo que no se toque el hilo.
2) Programa el LabQuest para una captura de datos basada en el tiempo, toma un dato cada
cinco segundos durante diez minutos.
3) Conecta en paralelo el voltímetro a la pila y en serie el amperímetro con el hilo de nicrom.
NO CIERRES EL CIRCUITO HASTA QUE ESTÉ EN MARCHA LA TOMA DE
DATOS.
4) Inicia la toma de datos y cierra el circuito.
CALCULOS
Para calcular la energía cedida por la pila utilizaremos la definición de VOLTAJE (energía cedida
por unidad de carga). La energía será la carga por el voltaje. E=QV
Para calcular la carga utilizaremos la definición de intensidad de corriente (flujo de carga respecto
del tiempo) La carga será la intensidad por el tiempo. Q=It
Y la energía E=VIt , siendo VI la potencia suministrada por la pila.
Observarás que ni el voltaje ni la intensidad es constante. Para calcular la energía supondremos que
tanto la intensidad como el voltaje permanecen constantes durante los cinco segundos que hay entre
dato y dato. Añadiremos una nueva columna calculada que llamaremos POTENCIA multiplicando
V por I.
Para calcular la energía utilizaremos la INTEGRACIÓN, una técnica matemática que consiste en
sumar cantidades que van cambiando a lo largo del tiempo. Para hacerlo representaremos la gráfica
de la potencia frente al tiempo y usaremos ANALISIS DE DATOS->INTEGRACIÓN->
El resultado es la energía cedida por la pila en julios.
Para calcular el equivalente en calorías SUPONDREMOS que toda la energía fue a parar al agua y
emplearemos la expresión Q=Ce m t, donde Ce es el calor específico del agua (1 Cal/ºC g), m es
la masa de agua y t es la variación de temperatura.
Con estos cálculos ya conoces la energía en julios (E) y su equivalente en calorías (Q), la
equivalencia que buscamos se obtendrá dividiendo E/Q.
Cuestionario
1. Compara su resultado para el equivalente mecánico del calor con el valor aceptado de 4.186
julios/caloría.
2. Discute las razones por las cuales el valor obtenido difiere del valor aceptado, ¿fue menor o
mayor?, ¿podrías explicar por qué resultó de uno u otro modo?
3. ¿A qué se puede deber que la pila no suministre una potencia constante?
4. ¿Cómo podríamos medir la energía contenida en la pila?