Trabajo de FISICA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO 2015

EFECTO JOULE

A. OBJETIVO

Encontrar la relación entre la energía eléctrica perdida de un elemento resistivo y el calor ganado por el sistema (calorimetría más agua).

Determinar el equivalente mecánico eléctrico del calor usado el principio de conservación de la energía.

B. MARCO TEÓRICO

Cuando una corriente I pasa por una resistencia, se transfiere energía desde las cargas eléctricas que circulan por la resistencia hacia el medio ambiente. Esta transferencia se manifiesta como calentamiento de la resistencia y de su medio ambiente, fenómeno que se denomina Efecto Joule.

La rapidez con que se transfiere al ambiente la energía potencial eléctrica de las cargas que circulan por el circuito es P = VI (siendo V la caída de potencial a través de la resistencia).P se denomina "potencia disipada en la resistencia". Por tanto, la energía cedida durante un tiempo t al ambiente, supuesto que P sea constante, es Pt.

Por otro lado, el cambio de temperatura ∆ T que se produce en un sistema de masa mcuando se le transfiere una cantidad de energía E está dado por ∆ T=E /mc , siendo c una propiedad constitutiva del sistema denominada "calor específico".

En esta práctica estudiaremos el sistema compuesto por:

i) Una resistencia por la que pasa una corriente (no se incluyen en el sistema en estudio los otros elementos del circuito eléctrico, diferentes a la resistencia) y que está sumergida en agua. Este elemento se denomina "resistencia calefactora".ii) el agua en el que está sumergida la resistencia calefactora, y que será calentada por ésta;iii) el recipiente que contiene el agua, denominado "vaso calorimétrico".

Aplicando el principio de conservación de la energía, bajo ciertas suposiciones, podemos relacionar ∆ T=Tfinal−Tinicial en este sistema, con las siguientes variables y parámetros constitutivos del sistema:

i) t: Tiempo transcurrido desde el instante para el cual la temperatura del sistema era Tinicial.ii) V: Caída de potencial a través de la resistenciaiii) I: Intensidad de corriente que circula por la resistenciaiv) m agua: masa de agua en el sistemav) c agua: calor específico del agua

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vi) mcal: masa del vaso calorimétricovii) ccal: calor específico del vaso calorimétrico

Las suposiciones que haremos son las siguientes:

i) El sistema agua + calorímetro + resistencia está térmicamente aislado del resto del universo. Es decir, no hay transferencia de energía desde o hacia el sistema, diferente a la que tiene lugar por efecto Joule en la resistencia misma.ii) El producto m resistencia c resistencia es despreciable con respecto a la suma

magua cagua+mcalccal

iii) La potencia disipada en la resistencia, VI, es constante.

Bajo las anteriores suposiciones, el principio de conservación de la energía se expresa así:

∆ E=Pt=VIt=(magua cagua+mcal ccal)∆ T (1)

Ahora bien, el calor específico se da en muchos manuales en las unidades caloría/g ºC. Actualmente se prefieren las unidades Joule/g ºC. La primera forma resulta al medir la energía en calorías, una unidad definida en el siglo XVIII antes de comprender el principio de conservación de la energía. En este experimento Ustedes podrán obtener el factor de conversión entre la antigua unidad de energía (entonces se llamaba "calor") y la unidad actual del sistema internacional, Joule. Este factor se denominó "equivalente mecánico del calor" cuando fué medido por primera vez, a mediados del siglo XIX.

¿Cómo generalizar la expresión (1) en el caso de que la potencia eléctrica suministrada al sistema sea variable?

C. EQUIPOS Y MATERIALES

Calorimetro con resistencia eléctrica.

fuente (DC)

Reóstato.

Cables de conexión. Cronometro. Voltímetro. Amperímetro.

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Balanza. Sensor de temperatura.

D. DIAGRAMA DE INSTALACIÓN

E. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES

1. Con el equipo que ha sido entregado proceda a realizar el montaje experimental de la siguiente manera:

2. Pesar el vaso pequeño del calorímetro, vacio y sin anillo de caucho de que le rodea.M calcometro=0.029

3. Vierta en el vaso cierta cantidad de agua (alrededor de 200g) y páselo nuevamente por diferencia halle la masa del agua añadido.

M calcometro+agua=0.131

M agua=0.102

4. Demuestre luego el circuito, dejándolo fijas la posición del reóstato y de las perrillas de la fuente de voltaje.

5. Tape el calorímetro e introduzca el extremo sensible del detector de temperatura dentro del mismo, luego conecte el otro extremo del detector al canal A de la caja de interface.

6. Cierre el interruptor y simultáneamente dispare el cronometro. Lleve los valores iniciales de 1, V y Ti a la tabla de datos.

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F. TOMA DE DATOS EXPERIMENTALES

Tome los valores de T,I, V en función del tiempo de tal manera que tenga por lo menos 10 datos y que la temperatura final sea por lo menos 30ºC por encima de la temperatura inicial, use el agitador para obtener una distribución equilibrada de calor en el agua.

T(min) T(ºC) I(A) V(V)0 9 0 03 11 1.10 2.386 11.09 1.11 2.409 12.8 1.09 2.3712 13.2 1.09 2.3615 14.1 1.10 2.3918 15 1.11 2.4021 15.8 1.09 2.3624 17 1.09 2.3527 17.8 1.09 2.37

G. OBSERVACIONES EXPERIMENTALES

1. ¿Qué ocurre si la tensión de voltaje aumentamos?

Por ejemplo si el voltaje se reduce a la mitad, el calor disipado se cuadriplica (por que la corriente se duplica) y por lo tanto el área de la sección transversal tambien tendría que cuadriplicarse.

Además no me he referido a las perdidas eléctricas, que son las que se producen por los enlaces de campo magnético que "no alcanzan a cerrarse" sobre y entre las superficies de los conductores y que son directamente proporcionales a la corriente.

Esperando en ser repetitivo, si incrementas la corriente (por que se ha disminuido el voltaje) se incrementan las perdidas por el efecto joule (calor) y por la inductancia (magnéticas). Y viceversa.

2. Si la temperatura llegaría el punto de ebullición. ¿qué ocurre con el experimento?

Se evaporaría el agua y la energía se disiparía en el medio ambiente.

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H. ANÁLISIS DE DATOS EXPERIMENTALES

1. Calcule la cantidad M C=CH 2 O × M H2 O+C cal × M cal

M C=CH 2 O × M H2 O+C cal × M cal

M C=1cal ×0.102 gr+0.22 ×0.029=0.10838 g

2. Calcule para cada caso el producto VI y su promedio con los datos de la tabla.

I V VXI0 0 0,00

1,1 2,38 2,621,11 2,4 2,661,09 2,37 2,581,09 2,36 2,571,1 2,39 2,63

1,11 2,4 2,661,09 2,36 2,571,09 2,35 2,561,09 2,37 2,58

Calculamos VI.

VI 1=0 ×0=0

VI 2=1.1× 2.38=2.62

VI 3=1.11×2.40=2.66

VI 4=1.09 ×2.37=2.58

VI 5=1.09 ×2.36=2.57

VI 6=1.1 ×2.39=2.63

VI 7=1.11×2.4=2.66

VI 8=1.09 ×2.36=2.57

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VI 9=1.09 ×2.35=2.56

VI 10=1.09× 2.37=2.58

PROMEDIO=0+2.62+2.66+2.58+2.57+2.63+2.66+2.57+2.56+2.5810

=2.34

3. Grafique Temperatura (T) en función del tiempo, y escriba su ecuación empírica.

4. Cacule por mínimos cuadrados sus parámetros.

n T(min) T(ºC)T(min)XT(º

C)T2(min)

1 0 9 0 02 3 11 33 93 6 11,09 66,54 364 9 12,8 115,2 815 12 13,2 158,4 1446 15 14,1 211,5 2257 18 15 270 3248 21 15,8 331,8 4419 24 17 408 576

10 27 17,8 480,6 729SUMA 135 136,79 2075,04 2565

m=n¿¿

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m=10(2075.04 )−135 ×136.79

10 (2565 )−1352

m=0.3076

b=9.5267

5. Determine Jexpe . Usando el parámetro ya calculado.

m=∆ T∆ t

=1J

VI

∑ Mc

Datos:

m=0.3076

VI=2.34

∑ Mc=¿

Jexperimental=VI¿¿

6. Que significado físico es los parámetros de la curva.

La pendiente de la gráfica T vs. t se multiplica por el producto VI y se le divide por el

factor ∑ Mc, nos da el inverso de la constante J en Joules/caloría.

m=∆ T∆ t

=1J

VI

∑ Mc

7. Calcule el error porcentual J% .

J%=J teorio−J experimental

J teorico

J%=4.186−3.4584.186

=17.39 %

I. CONCLUSIONES

El calor producido puede ser suficiente para elevar mucho la temperatura del conductor. En ese caso es posible que el cuerpo alcance el punto de incandescencia, a partir del cual parte de la energía irradiada es visible en forma de luz.

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También existe la posibilidad de que no se irradie toda la energía al exterior, sino que se transforme en otra forma de energía. Éste es el caso que estudiaremos en otro apartado, al abordar el motor eléctrico.

J. COMENTARIOS Y RECOMENDACIONES

Las pruebas experimentales servirán mucho para el mejor entendimiento de la parte teórica del curso.

Además se sugiere tener más tiempo para poder tomas más datos experimentales para evitar errores considerables.

K. BIBLIOGRAFÍA

Trabajos prácticos de física, J. Fernández y E. Galloni, Centro de Estudiantes de Ing.UBA, Buenos Aires (1963).

Curso superior de física práctica, B. L. Worsnop y H. T. Flint, Eudeba, Buenos Aires

En Internet: http://physics.nist.gov/cuu/Uncertainty/index.html.

En Internet: http://www.iso.ch/infoe/sitemap.htm

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

FACULTAD DE EDUCACIÓN

CARRERA PROFESIONAL DE EDUCACIÓN SEDE-ESPINAR

ESPECIALIDAD CIENCIAS NATURALES

ÁREA: FISICA III

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EFECTO JOULE


DOCENTE:

ALUMNA: Nely Chaupi Pumachara

ESPINAR-CUSCO-PERÚ2015

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