Conversión de energía mecánica en energía calorífica

P2.3.3.2
Calor
El calor como forma de energía
Conversión de energía mecánica en calor
Conversión de energía
mecánica en energía
calorífica - Registro y
evaluación con CASSY
Descripción del CASSY Lab 2
CASSY Lab 2 (2011-06-07)
Para descargar ejemplos y ajustes
utilice por favor la ayuda del
CASSY Lab 2.
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CASSY Lab 2
Transformación de energía mecánica en energía térmica
Apropiado también para el Pocket-CASSY.
Instrucción de seguridad
Elegir el lugar para el experimentador de tal forma que no haya peligro de herirse si la pesa de 5 kg cae por algún
motivo imprevisto.
Descripción del ensayo
La energía es una de las magnitudes fundamentales de la física. La energía se presenta en diferentes formas que
pueden transformarse entre si. En un sistema cerrado la energía total se conserva durante los procesos de
transformación.
En este ensayo se verifica experimentalmente la equivalencia entre energía mecánica E m y energía térmica Eth. Para
ello en el experimento se realiza un trabajo Em mediante una manivela en contra de la fuerza de fricción. Esto
conduce a un aumento de temperatura del calorímetro y con ello un aumento de la energía térmica E th. Mediante la
medición de la temperatura ϑ y el número de revoluciones se puede registrar cuantitativamente las dos formas de
energía con las unidades Newton-metro (Nm) y Joule (J). De esta forma se verifica experimentalmente y en números
la equivalencia: Em = Eth.
Equipo requerido
1
1
1
Sensor-CASSY
CASSY Lab 2
Unidad Timer o Timer S
524 010 ó 524 013
524 220
524 034 ó 524 074
1
1
524 045
666 193
1
1
Unidad Temperatura
Sonda de temperatura de NiCr-Ni
o
Adaptador NiCr-Ni S
Sonda de temperatura de NiCr-Ni, tipo K
1
Barrera luminosa, infrarroja
337 46
524 0673
529 676
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CASSY Lab 2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Cable de conexión, 6 polos, 1,5 m
Aparato básico del equivalente mecánico del
calor
Calorímetro
por ej.
Calorímetro de agua
o
Calorímetro de cobre con calefactor
o
Calorímetro de aluminio con calefactor
o
Calorímetro de aluminio grande con calefactor
Mordaza de mesa sencilla
Base de soporte pequeña en forma de V
Varilla de soporte, 10 cm
Varilla de soporte, 25 cm
Mordaza con pinza cilíndrica
Pesa con gancho, 5 kg
PC con Windows XP/Vista/7
501 16
388 00
388 01
388 02
388 03
388 04
301 07
300 02
300 40
300 41
301 11
388 24
Montaje del ensayo (véase el esquema)
·
·
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·
·
·
Fije el aparato básico del equivalente mecánico del calor en una esquina de la mesa.
Fije la pinza de apriete en el borde de la mesa a una distancia de unos 40 cm respecto al soporte de plástico del
aparato básico. Sujete la mordaza con pinza cilíndrica a la varilla de soporte de 25 cm para utilizarla
posteriormente con la sonda de temperatura tal como se muestra en el esquema.
Coloque el calorímetro con el taladro hacia arriba y llénelo con agua por la abertura.
Coloque la junta en el taladro y fíjela con la tapa atornillable.
Ponga el cuerpo del calorímetro lleno en el aparato básico. Para ello inserte la espiga del remache del piso del
calorímetro en la ranura del soporte de plástico y gírelo de tal forma que quede enclavado y el cuerpo del
calorímetro quede fijo.
Introduzca la sonda de temperatura lo más profundo posible en la abertura del calorímetro y apriete la tapa
atornillable del calorímetro. Fije la sonda de temperatura con el material de soporte ya listo tal como se muestra
en el esquema.
Coloque la pesa de 5 kg debajo del cuerpo del calorímetro.
Enrolle la cinta de nylon unas 4 veces (máximo 6) alrededor del calorímetro y sujétela a la pesa de 5 kg que
reposa en el suelo. La pesa debe colgar en el lado de la manivela hacia adelante.
Accione la manivela y verifique si la pesa de 5 kg se eleva unos cm y que al continuar girando se mantiene a una
altura determinada. En caso de que se eleve demasiado, reduzca el número de vueltas de la cinta de nylon; si no
se eleva del suelo, entonces aumente el número de vueltas.
Monte la barrera luminosa de horquilla para medir las vueltas NA1 (= número de oscurecimientos) usando la base
de soporte tal como se muestra en el esquema y conecte la unidad Timer a la entrada A del Sensor-CASSY.
Conecte la sonda de temperatura para medir la temperatura ϑB11 a través de la unidad Temperatura (hembrilla
T1) en la entrada B del Sensor-CASSY.
Realización del ensayo
·
·
·
·
Cargar ajustes
Ajuste las vueltas a cero, para ello accione el botón → 0 ← en Ajustes NA1.
Inicie la medición con .
Gire la manivela y mida el aumento de temperatura en función de las vueltas realizadas.
Detenga la medición con
al alcanzar la temperatura final deseada ϑB11.
Evaluación
Durante la medición se puede observar la gráfica de la temperatura ϑB11 en función de las vueltas NA1. En el
diagrama ya preparado Evaluación se grafica la energía térmica en función de la energía mecánica aplicada al girar
la manivela en contra de la fricción. La energía mecánica Em resulta del producto de la fricción F y la distancia
recorrida s:
Em = F·s
con F = m·g
F = Fricción
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CASSY Lab 2
m = Masa de la pesa = 5 kg
2
g = Aceleración de la gravedad = 9,81 m/s
y s = N·d·π
s = Recorrido de la fricción
N = Número de vueltas
d = Diámetro del calorímetro = 0,047 m
De aquí que para la energía mecánica se cumple: Em = m·g·d·π·N.
El aumento de la energía térmica como resultado del aumento de temperatura viene dado por:
Eth = C·(ϑ2 - ϑ1)
La capacidad calorífica C depende del calorímetro usado y debe ser ingresada en Ajustes C según la siguiente tabla:
Calorímetro
Agua (388 01)
Cobre (388 02)
Aluminio (388 03)
Aluminio, grande (388 04)
Capacidad calorífica C/(J/K)
40 + mH2O/g · 4,2 (con masa del agua en g)
264 + 4,2 (para 1 g de relleno con agua en el agujero)
188 + 4,2 (para 1 g de relleno con agua en el agujero)
384 + 4,2 (para 1 g de relleno con agua en el agujero)
Mediante el ajuste de una recta que pasa por el origen se puede verificar la equivalencia entre energía mecánica E m
y energía térmica Eth. La pendiente de la recta que pasa por el origen es usualmente un poco menor que 1. Esto se
debe a las pérdidas de calor no registradas, como por ejemplo, el contacto térmico del calorímetro con la cuerda de
nylon o con el soporte de plástico.
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