Conversión de energía eléctrica en energía calorífica

P2.3.4.3
Calor
El calor como forma de energía
Conversión de energía eléctrica en calor
Conversión de energía
eléctrica en energía
calorífica - Medición 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 eléctrica en energía térmica
Alternativa:
Instrucción de seguridad
Peligro de implosión: El Dewar es un recipiente de vidrio de pared delgada, evacuado al vacío y que puede
quebrarse si es sometido a esfuerzo mecánico.
No colisionar el Dewar o no dejarlo caer.
No dejar caer ningún objeto duro en la cubierta de vidrio.
No rayar la cubierta de vidrio con objetos agudos.
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CASSY Lab 2
Descripción del ensayo
La energía es una medida del trabajo almacenado. 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.
Por esta razón la energía es una de las magnitudes fundamentales de la física.
En este ensayo se verifica experimentalmente la equivalencia entre la energía eléctrica E el y la energía térmica Eth.
A tal efecto, en el experimento la energía eléctrica E el suministrada a un filamento calefactor es transformada en
calor Eth. Esto conduce a un incremento de temperatura del calorímetro (o agua, en la cual el filamento se encuentra
sumergido). La medición en paralelo de la intensidad de corriente I y la temperatura ϑ en función del tiempo t,
conocida la tensión constante U, posibilita el registro cuantitativo de las dos formas de energía con las unidades
Vatio-segundo (Ws) y Joule (J). De esta forma se verifica experimentalmente y en números la equivalencia: E el = Eth.
Equipo requerido
1
1
Sensor-CASSY
CASSY Lab 2
524 010 ó 524 013
524 220
1
1
Unidad Temperatura
Sonda de temperatura de NiCr-Ni
o
Adaptador NiCr-Ni S
Sonda de temperatura de NiCr-Ni, tipo K
524 045
666 193
1
1
1
1
1
1
524 0673
529 676
Fuente de tensión, 0...12 V por ej.
Transformador variable de baja tensión S
Calorímetro con cable de conexión,
por ej.
Calorímetro de cobre con calefactor
Par de cables de conexión para calorímetro
o
Calorímetro de aluminio con calefactor
Par de cables de conexión para calorímetro
o
Calorímetro de aluminio grande con calefactor
Par de cables de conexión para calorímetro
o
Aparato para determinar el equivalente
eléctrico del calor
Recipiente Dewar
Vaso de precipitados, forma baja, Duran, 250
ml
Probeta graduada, base de plástico, 250 ml
Par de cables, 50 cm, rojo y azul
Cable, 50 cm, negro
Par de cables, 50 cm, rojo y azul
PC con Windows XP/Vista/7
521 35
388 02
388 06
388 03
388 06
388 04
388 06
384 20
386 48
664 103
665 755
501 45
501 28
501 45
Montaje del ensayo con calorímetro (véase el esquema)
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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.
Introduzca la sonda de temperatura lo más profundo posible en la abertura del calorímetro y apriete la tapa
atornillable del calorímetro.
Conecte CASSY al transformador de baja tensión S para medir corriente y tensión tal como se muestra en el
esquema.
Conecte el filamento calefactor del calorímetro a la entrada A del Sensor-CASSY (conecte las clavijas bananas
grandes juntas y un cable a la hembrilla de seguridad U azul y uno a la roja).
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.
Montaje del ensayo con el aparato para el equivalente eléctrico del calor (véase el esquema)
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Llene el vaso Dewar con unos 200 ml usando la probeta graduada.
Ponga el aparato para el equivalente eléctrico del calor en el Dewar y sujete la tapa mediante los muelles.
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CASSY Lab 2
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Sumerja la sonda de temperatura en el Dewar con la junta puesta a través del tapón de goma. La sonda de
temperatura deberá ser mantenida por la junta de tal manera que la punta del sensor se encuentre por debajo del
filamento calefactor. La punta de la sonda de temperatura no debe tocar el piso del Dewar.
Conecte CASSY al transformador de baja tensión S para medir corriente y tensión tal como se muestra en el
esquema.
Conecte el filamento calefactor en serie a la entrada A del Sensor-CASSY (para ello de cada filamento calefactor
conecte un cable a la hembrilla de seguridad U azul y uno a la roja y los dos terminales todavía libres conéctelos
con un cable negro).
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.
Nota para el experimento
En la realización del ensayo con el equivalente eléctrico del calor agite el agua para obtener un calentamiento
uniforme mientras la alimentación de tensión esté encendida. Es recomendable que mueva el agitador lentamente
hacia arriba y hacia abajo durante la medición.
Realización del ensayo
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Cargar ajustes
En Ajustes IA1 seleccione la magnitud Tensión UA1.
Encienda el transformador variable S y ajuste la tensión UA1 a 9 V (calorímetro) o a 4 V (aparato del equivalente
eléctrico del calor).
Lea el valor UA1 con precisión e ingréselo como parámetro en Ajustes U.
Desconecte el transformador S y en Ajustes UA1 vuelva a seleccionar la magnitud Corriente IA1 y elija como
rango de medición 0...2,1 A.
Después de alcanzar una temperatura de inicio constante ϑB11 iniciar la medición con .
Encienda el transformador S y al alcanzar la temperatura final deseada ϑB11 vuelva a desconectarlo.
Detenga la medición con
después de alcanzar una temperatura final constante.
Evaluación
Durante la medición ya se representa gráficamente la temperatura ϑB11 y la corriente IA1 en función del tiempo. En el
diagrama ya preparado Evaluación se grafica la energía térmica Eth = C · (ϑB11 - ϑ1) versus la energía eléctrica
Eel = ∑ U·I·Δt. La capacidad calorífica C depende del calorímetro usado y debe ser ingresada en Ajustes C según la
siguiente tabla:
Calorímetro
Cobre (388 02)
Aluminio (388 03)
Aluminio, grande (388 04)
Aparato para el equivalente eléctrico
del calor (384 20) con Dewar (386 48)
Capacidad calorífica C/(J/K)
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)
(mH2O/g + 24) · 4,2 (con masa del agua en g y equivalente de
agua mD = 24 g del Dewar)
Mediante el ajuste de una recta que pasa por el origen se puede verificar la equivalencia entre energía eléctrica Eel y
energía térmica Eth. La pendiente de la recta que pasa por el origen es usualmente un poco menor que 1, debido a
las pérdidas de calor por irradiación térmica. Esto se aprecia con claridad en intervalos de medición prolongados, en
donde se observa una desviación significativa de los datos respecto a la recta que pasa por el origen.
Recomendación
Como alternativa la medición también puede evaluarse manualmente: con tal propósito determine el valor medio de
la temperatura inicial ϑ1 y la temperatura final ϑ2 (con el botón derecho del ratón seleccione Trazar valor medio) y
calcule la energía térmica Eth = C · (ϑ2 - ϑ1). Con Pegar marcas → Medir diferencia determine el tiempo de
suministro de energía eléctrica. Con ello calcule E el = U · I · Δt y compárela con Eth.
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