ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA DE LABORATORIO No. 4 EFECTO JOULE Equivalente Mecánico del Calor 1. 1.1 1.2 1.3 OBJETIVOS Verificar experimentalmente que una corriente eléctrica, que circula a través de un material, disipa energía en forma de calor. Observar que la energía eléctrica se puede transformar en energía térmica. Obtener, en el laboratorio, el “Equivalente Mecánico del Calor”. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.7.1. 2.7.2. 2.7.3. 2.7.4. CONCEPTOS A AFIANZAR Ley de Joule. Equivalente Mecánico del Calor. Potencia Eléctrica. Voltaje. Corriente Eléctrica. Resistencia Eléctrica. Conceptos Previos: Conservación de Energía (Calorimetría). Calor. Capacidad Calorífica. Calor Específico. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Montaje de la práctica a cargo del estudiante. Manejo de Cifras Significativas. Análisis de Incertidumbres por Métodos Estadísticos. Graficación de Datos Experimentales. Ajuste por Regresión Lineal. 4. TIEMPO NECESARIO PARA EL DESARROLLO 2 Horas. 5. 5.1. EQUIPO REQUERIDO Calorímetro con resistencia eléctrica incluida. Termómetros. Balanza. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. Fuente de Voltaje. Amperímetro. Voltímetro. Cronómetro. 6. 6.1. PROCEDIMIENTO Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro Mida la masa del vaso de aluminio del calorímetro; agréguele agua a temperatura ambiente hasta una cuarta parte (100 ml aproximadamente) de su volumen y determine la masa de agua. Mida la temperatura del calorímetro completo y agregue agua caliente hasta ocupar ¾ partes (300 ml aproximadamente) del volumen del calorímetro (400 ml aproximadamente) y ciérrelo rápidamente. (La temperatura inicial del agua caliente debe ser determinada previamente con ayuda de otro termómetro). Agite el calorímetro con cuidado y determine la temperatura de equilibrio de la mezcla (la máxima temperatura alcanzada después de la mezcla.). Posteriormente halle la masa de agua caliente agregada. De la ecuación de balance energético calcule la capacidad calorífica del calorímetro en cal/ºC (con resistencia y termómetro incluidos). Consigne los datos en la Tabla 1. Recomendación: Mantenga el termómetro dentro del calorímetro durante toda la práctica, excepto cuando este haciendo medidas de masa. 6.2. Determinación del Equivalente Mecánico del Calor Haga el montaje de la Figura 1, con el calorímetro vacío y seco. Agregue suficiente agua a temperatura ambiente para que queden inmersos tanto el bulbo del termómetro como la resistencia del calorímetro. Mida la masa de agua agregada. Teniendo el calorímetro cerrado encienda la fuente y fije un voltaje a través de la resistencia (del orden de 20 V); lea la temperatura del sistema y simultáneamente encienda el cronómetro. Observe como se incrementa la temperatura del sistema. Agite permanentemente para mantener homogénea la temperatura. Cada vez que la temperatura se incremente un número determinado de grados (2 oC a 3 oC) registre el tiempo transcurrido con el cronómetro en el modo "split" en la Tabla 2. Asegúrese de registrar también la corriente en el circuito. Cuando haya recogido alrededor de 20 datos apague la fuente y proceda a analizarlos. Tenga en cuenta que el calor Q entregado al sistema debe ser expresado en calorías y dicho calor proviene de la potencia P disipada en la resistencia; donde la potencia esta medida en el sistema internacional de unidades. En consecuencia el equivalente mecánico es: P. t j , donde t es el tiempo. Q A partir de los datos de temperatura del agua en función del tiempo, determine el calor total entregado (en calorías) y consígnelo en la Tabla 2. Tenga en cuenta, además del calor específico del agua, el calor específico del calorímetro. Haga una gráfica del calor total entregado (en calorías) en función del tiempo. De la pendiente de esta gráfica deduzca j, el equivalente mecánico del calor. Utilice la técnica de regresión lineal para determinar j y su correspondiente incertidumbre. Compárelo con el valor nominal y discuta el resultado. + V A TAPA AGUA TERMÓMETRO R VASO DE ALUMINIO AIRE Figura 1 7. TIPO DE INFORME REQUERIDO Preinforme según formato (ver última página) a entregar al terminar la práctica. Formato de artículo para revista en el informe completo. Máximo 5 páginas incluidas las gráficas. 8. 8.1. PREGUNTAS ¿Por qué es recomendable mantener el termómetro dentro del calorímetro durante toda la práctica? ¿Por qué el agua como mínimo debe tapar tanto la resistencia como el bulbo del termómetro? Preguntas adicionales que el profesor considere convenientes. 8.2. 8.3. 9. 9.1. 9.2. BIBLIOGRAFÍA S. Lea and J. Burke, PHYSICS, The Nature of Things, Brooks/Cole Publishing Company, 1997, Temas: 19.3.1, 20.4.1, 20.4.2 20.4.3 y 26.1. D.C., Baird, EXPERIMENTACIÓN, Una Introducción a la Teoría de Mediciones y al Diseño de Experimentos, Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 1991, Temas: 6.7, 6.8, 6.9, 6.10 y Apéndice 2. Masa del Masa del agua vaso de a temperatura Al (g) ambiente (g) Temperatura ambiente (°C) Temperatura inicial del agua caliente (°C) Temperatura de equilibrio (°C) Masa agua caliente (g) Capacidad calorífica del calorímetro (cal/ºC) Tabla 1 Masa del agua agregada (g): Capacidad calorífica del agua (cal/°C): Capacidad calorífica total (cal/°C): Voltaje seleccionado (V): Corriente (A): Potencia disipada en la resistencia (W): Tiempo después Temperatura de encender la del agua (°C) fuente (s) 0 Calor total entregado (cal) 0 Tabla 2 Equivalente Incertidumbre mecánico del relativa y (%) calor (J/cal) de error Preguntas (Secc. 8), análisis y conclusiones ADJUNTAR GRÁFICA DE CALOR vs. TIEMPO