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M del Carmen Maldonado Susano
Práctica # 5
Conversión de
Trabajo en Calor Laboratorio de Termodinámica
Edición M. del Carmen Maldonado Susano
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Antecedentes
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Es la capacidad latente oaparente que poseen loscuerpos para producircambios en ellos mismos o enel medio que los rodea.
▪Su unidad en el SI es eljoule [J].
Energía
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En tránsito
Calor
Trabajo
Estas dos formas no son propiedades.
Energía en Tránsito
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Es energía que se transfiere
entre 2 cuerpos que se
encuentran a diferentes
temperaturas.
▪Su unidad en el SI es el joule
[J].
Calor
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Se define como el efecto de una
fuerza F que actúa a lo largo de
un desplazamiento d, cuando
ambos son medidos en la misma
dirección.
W = F * d (J)
Trabajo
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M del Carmen Maldonado Susano
▪El trabajo como el calor, es un
fenómeno transitorio y sólo
existe mientras la operación se
está realizando.
Trabajo
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Es una forma de energía cuyo
concepto está asociado a la
mecánica.
Trabajo Mecánico
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M del Carmen Maldonado Susano
▪La energía transferida a un eje o
flecha que rota es una aplicación
frecuente que se encuentra en
sistemas termodinámicos.
Trabajo en un eje
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▪El torque T transferido a la flecha
es constante, entonces la Fuerza
aplicada también es constante.
Trabajo de flecha
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▪Si el dispositivo realiza “N”
revoluciones, entonces el
desplazamiento total sería:
Trabajo de flecha
Wflecha = 2 π N T
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Determina el equivalente
mecánico del calor, es decir, la
relación entre la energía
mecánica y la energía térmica
(energía en forma de calor).
Experimento de Joule
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M del Carmen Maldonado Susano
▪La energía mecánica
suministrada al sistema se
convierte en una variación de su
energía interna.
W (J) = U (cal)
Experimento de Joule
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Sabemos que trabajo de eje:
W = m g 2 π r N [J]
m : masa
g : aceleración gravitatoria
r : radio
N : número de vueltas
Experimento de Joule
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M del Carmen Maldonado Susano
▪La energía interna está dada
por:
U = m c T [cal]
m : masa
c : capacidad térmica específica
T : incremento de temperatura
U : energía interna
Energía Interna
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Igualando el trabajo y la energía
interna:
m g r 2 π N = m c T
m: masa
g : aceleración gravitatoria
r: radio
N: número de vueltas
Experimento de Joule
W (J) = U (cal)
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M del Carmen Maldonado Susano
c Aluminio = 896
c Al = 0.214 cal / g °C
Calor específico (2019) tomado de página web
http://srv2.fis.puc.cl/mediawiki/index.php/Calor_Espec%C3%ADfico_de_un_Metal_(Fis_152)
Capacidad Térmica Específica
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M del Carmen Maldonado Susano
masa = 200 [ g ]
▪Aluminio
Masa del cilindro
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Aluminio
D = 4.763 [ cm ]
Diámetro del cilindro
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M del Carmen Maldonado Susano
▪EMC = W / U
▪EMC = 4.186 [J] / 1 [cal]
▪Tenemos que el EMC es:
EMC = 4.186 [ J/cal ]
Equivalente Mecánico del Calor
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M del Carmen Maldonado Susano
▪¿Cuánto calor necesito para
convertirlo en Trabajo ?
1 cal = 4.186 [J]
1000 cal = 4186 [J]
Conversiones
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M del Carmen Maldonado Susano
Práctica No. 5
Laboratorio de Termodinámica
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M del Carmen Maldonado Susano
1. Seguridad en la ejecución
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Determinar el trabajo y el calor
asociados a un sistema mecánico.
▪Obtener el valor experimental del
equivalente mecánico del calor.
2. Objetivos
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3. Equipo y material
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M del Carmen Maldonado Susano
▪ Realizar el montaje del equipo
como se indica en la Figura 2.
▪ Dar tres vueltas con la cinta nylon
alrededor del cilindro de
aluminio, cuidando que el cilindro
gire libremente.
▪ Colocar todas las masas en el
extremo de la cinta, cuidando que
queden suspendidas.
▪ Tomar la temperatura del cilindro
de aluminio con el termopar.
5. Desarrollo
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Hacer girar el cilindro de aluminio
con la manivela.
▪Dar 300 vueltas con una rapidez
constante tal que el cilindro de
aluminio pueda aproximarse a un
sistema adiabático; es decir, que no
intercambie calor con el ambiente.
▪Esto se logra girando la manivela con
una rapidez de 2 vueltas/segundo,
aproximadamente.
5. Desarrollo
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M del Carmen Maldonado Susano
▪Volver a tomar la temperatura
del cilindro de aluminio en el
mismo lugar de la medición
anterior.
▪Repetir el experimento 3 veces
y llenar la tabla 1.
▪Desmontar el equipo.
5. Desarrollo
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M del Carmen Maldonado Susano
1. Aplicar sólo 3 vueltas de la cinta antihorario.
2. Después colgar las 3 masas.
3. Tomar la
temperatura
inicial
del cilindro de
aluminio
con el termopar.
5. Desarrollo
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M del Carmen Maldonado Susano
▪ 5. Hacer girar el cilindro
de aluminio con la
manivela (300 vueltas).
4. La manivela girarla en
sentido horario con una
velocidad constante.
5. Desarrollo
▪ 6. Volver a tomar la
temperatura del cilindro
de aluminio (temperatura
final).
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M del Carmen Maldonado Susano
Tabla 1
T1 : Temperatuta inicial
T2 : Temperatuta final
N : 300 vueltas
DAl : Diámetro del cilindro de aluminio
cAl : capacidad térmica específica
mAl : capacidad térmica específica
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M del Carmen Maldonado Susano
Cálculo de U
Masa cilindro
aluminio [g]
c [cal/ g °C] T= TF – Ti [°C] ΔU
200 0.22 2
U = mAl cAl T [cal]
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M del Carmen Maldonado Susano
Cálculo de W
m [kg] g [m/s2] r [cm] N W [J]
0.800 9.78 300
W = m g 2 π r N [J]
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Tabla 2
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Variables
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Resultados
▪La conversión de energía
mecánica íntegramente en calor
se expresa mediante la siguiente
ecuación:
W / UΔ = 4.186 [J/cal]
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Conclusiones
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M del Carmen Maldonado Susano
Presentación
M. del Carmen Maldonado Susano
26 Febrero de 2019
Edición
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M del Carmen Maldonado Susano
Bibliografía
Manual de Prácticas de
TermodinámicaDCB-FI- UNAM
Física UniversitariaVolumen 1
Sears, Zemansky
Young, Freedman
Ed. Pearson Addison Wesley
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M del Carmen Maldonado Susano
Bibliografía