Práctica 4. Determinación del Equivalente Mecánico del Calor

Práctica 4. Determinación del Equivalente Mecánico del Calor
OBJETIVOS
 Hallar el factor de conversión entre la caloría y el julio.
 Aplicar un método eléctrico para encontrar este factor de conversión.
MATERIAL
FUNDAMENTO TEÓRICO
La energía se puede presentar de diferentes formas: cinética, eléctrica, calorífica, etc.;
pudiendo transformarse de una en otra. La comprobación de que el calor es una forma de energía se
hizo mediante experimentos que se basaban en transformar energía mecánica en calor. De ahí que la
razón entre la energía W que se transforma en calor Q, W/Q = J se le denomine equivalente
mecánico del calor. Cualquier forma de energía es susceptible de ser transformada en energía
calorífica, así que se podría hablar también de equivalente eléctrico del calor, pero tradicionalmente
se ha mantenido el nombre inicial.
Esta práctica está diseñada para estudiar la transformación de energía eléctrica en calor, cuya
manifestación inmediata va a ser la elevación de la temperatura de una masa de agua contenida en
el calorímetro. Según se puede apreciar en la figura superior, la energía eléctrica suministrada en un
tiempo t por la resistencia R (por la que circula una intensidad I), en cuyos extremos existe una
diferencia de potencial V, se puede escribir como
W(julios) = VIt
(1)
Esta energía suministrada se disipa en forma de calor Q, absorbido por el agua y por el calorímetro.
Suponiendo despreciables las pérdidas a través del calorímetro se verifica que
W(julios) = JQ(calorías)
(2)
Q = (Mc + K)T
(3)
siendo Q
donde M es la masa de agua en el calorímetro, c es el calor específico del agua, K es el equivalente
en agua del calorímetro y ΔT es la variación de temperatura experimentada por el agua y el
calorímetro, durante el tiempo de calentamiento Δt. En consecuencia, el equivalente J se puede
calcular mediante la ecuación (2), introduciendo en ella las fórmulas (1) y (3), con lo que
obtenemos
VIt
J=
(julio / caloría)
(4)
(Mc + K)T
MÉTODO OPERATIVO
1) Si no conoce el equivalente en agua del calorímetro, K, calcúlelo según las instrucciones de la
práctica 1.
2) Determine la masa del calorímetro y sus accesorios con la balanza (el termómetro digital no
necesita pesarse), anote su valor M0.
3) Coloque en el calorímetro una cantidad de agua, de manera que cuando introduzca la sonda del
termómetro digital, se moje en el líquido. Determine la masa M’ del calorímetro con el agua. La
masa de agua será: M = M’ M0.
4) Observe si la temperatura del agua en calorímetro es estacionaria, en ese caso tome nota de su
valor Ti.
5) Haga el montaje indicado en la figura superior de este guión. Antes de conectar el transformador
a la red eléctrica, solicite al profesor que revise el montaje.
6) En el momento de conectar la corriente ponga en marcha el cronómetro. Cada dos minutos tome
nota de los valores del voltaje V y de la intensidad I. Deje transcurrir un tiempo t de 20
minutos, durante todo ese tiempo debe agitar el agua suavemente, para que se produzca un
calentamiento uniforme. Determine los valores medios del voltaje V e intensidad I, que tomará
como datos para calcular J, mediante la fórmula (4).
7) Desconecte el circuito y tome nota, al mismo tiempo, de la temperatura del calorímetro Tf.
8) Mediante la expresión (4), teniendo en cuenta que ΔT = Tf – Ti, calcule el valor de J. Exprese su
resultado y cota de error correctamente.
9) Repita la experiencia dos veces más y tome como valor de J la media de las tres determinaciones.
Exprese correctamente el resultado calculando el error pertinente.
CUESTIONES
1. Compare el valor de J que ha obtenido experimentalmente con su valor teórico. Justifique las
posibles discrepancias.
BIBLIOGRAFÍA
Serway R. A. and Jewett J. W., 2004. Physics for Scientists and Engineers (6th edition). Thomson
Brooks/Cole.