UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

EQUIVALENCIA CALOR TRABAJO

PROFESORA: GREGORIA FLORES RODRÍGUEZ

Grupo 3

C-9

Equipo 3

HUITZIL TELLO GERARDO LEAL ALVBAREZ INGRID ESTEFANIA

SANDOVAL NOLASCO G. MONSERRAT

SOTELO VILLAGRAN DIANA I.

PRACTICA 7 1

EQUIVALENCIA CALOR-TRABAJOObjetivo

Introducir el tema de energía y ver las interrelaciones de sus diversas formas de

manifestación.

Introducción

En un experimento clásico realizado en 1843, el físico James Prescott Joule mostró que la

energía mecánica de un objeto podría convertirse en energía térmica. El aparato que Joule uso

consistía en una gran masa soportada por una cuerda que pasaba por una polea y enrollada en

torno de un eje. Con forme la masa descendía, la cuerda al desenrollarse hacia dar vueltas a un

par de paletas grandes en un recipiente con agua. Joule mostró que el aumento en la temperatura

del agua estaba directamente relacionado con el trabajo mecánico efectuado por el objeto que

caía. De esta manera joule demostró que se podría convertirse en energía térmica y encontró una

relación entre la Caloría y el Joule.

El principio de conservación de la energía nos dice que si una dada cantidad de energía de

algún tipo se transforma completamente en calor, la variación de la energía térmica resultante

debe ser equivalente a la cantidad de energía entregada. En este experimento buscamos

demostrar la equivalencia entre la energía entregada a un sistema y el calor en que se convierte.

Si la energía se mide en Joules y el calor en calorías, nos propondremos también encontrar la

equivalencia entre estas unidades. La relación cuantitativa entre Joules y calorías se llama, Je,

equivalente eléctrico (o mecánico) del calor.

El calor y el trabajo son dos formas de la energía mecánica (cinética y potencial). El calor,

principalmente, es una manifestación de la energía cinética de traslación, rotación y vibración que

poseen las moléculas y átomos de un cuerpo, la medición de ésta energía se hace mediante la

medición de su temperatura. Para aumentar la temperatura de un cuerpo en 1°C hay que agregar

una determinada cantidad de calor (energía) la cual depende de la naturaleza de la sustancia. 

El trabajo está definido como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del

desplazamiento por la distancia. Una fuerza que mueve a un cuerpo, que está en contacto con

otro, produce un rozamiento y se denomina fuerza de fricción. 

Problema

Al introducir una resistencia eléctrica a un recipiente con agua por un determinado

tiempo, la temperatura del agua aumenta. Por cada caloría que absorbe el agua ¿cuántos

joules cede el dispositivo eléctrico?

PRACTICA 7 2

Resultados

Masa H2O fría (mf)

Masa H2O caliente (mc)

T H2O fria (Tf)

T H2O caliente (Tc)

T H2O equilibrio (Te)

100g 100g 22.3 80°C 45.5°C

Balance de Energía determinación de la Constante del Dewar (K)

Constante del Dewar=[K]:

48.7069 cal/°C

Determinación del equivalente a Calor trabajo

Análisis de resultados

PRACTICA 7 3

Voltaje=[V] 120.9 volts

Resistencia=[R]

28 ohms

Tiempo[s] Δ (TH2O[°C]) Trabajo eléctrico W(J)

Calor absorbido Q[cal]

Equivalente W/Q[J/cal]

% Error

10 0.2 5220.289 59.7414 87.3814 95.21%20 0.1 10440.5786 29.870 48.227 91.32%

30 12 15660.868 3584.4828 4.369 4.24%

40 19.3 2081.157 5765.043 3.622 15.51%

50 21.6 25665.49 6452.06 3.978 5.17%

60 25.9 30798.598 5213.4913 5.907

Tiempo[s] TH2O inicial[°C] TH2O Final [°C]

10 23.4 23.6

20 22.9 23

30 23.4 35.4

40 24.3 43.6

50 23.0 44.6

60 24 49.9

El primer paso del experimento fue determinar la constante de un calorímetro el cual estaba constituido por un vaso. Para la terminación de la constante lo que se hizo fue un balance de energías el cual nos arrojó como resultado de 48.70 calorías este valor se encuentra dentro el intervalo del valor real de la capacidad calorífica de un colorímetro.La segunda tapa del experimento fue determinar la relación calor trabajo es decir se buscó entronerar el equivalente calor trabajo el cual es de 4.185J. En el experimento el trabajo que se realizaba era debido a una corriente eléctrica, este trabajo durante el experimento variaba con respecto al tiempo en el que se dejaba la resistencia dentro del agua la determinación de este fue muy sencilla ya que solo se hacían medidas del voltaje dentro del enchufe que se iba a utilizar, el valor de la resistencia con la que se iba a calentar el agua y el tiempo en el cual se iba a dejar calentar el agua. En los resultados obtenidos del trabajo se observa que es mayor el trabajo al estar más tiempo la resistencia en contacto con el agua.Al determinar el valor del calor absorbido se obtuvieron datos muy desvalidos que modificaron muchísimo el experimento y debido a esto no se pude obtener tan eficazmente la relación de calor trabajo ya que como vemos en los resultados cuanto más pequeño es el intervalo de tiempo en el que se deja la resistencia en el agua, mayor es el grado de erro, esto se debe a que es difícil trabajar en intervalos de tiempo tan cortos ya que no varía mucho el estado inicial al final. Conclusión El equivalente mecánico es de gran importancia debido a que este nos permite conocer la relación que existe entre el trabajo que se realiza en un sistema y el calor que se obtiene por caloría. Sin embargo también permito terminar con la idea de que el calor era una sustancia que formaba parte de la mayoría de los sistemas. Para la determinación de este equivalente es necesario utilizar un calorímetro que nos va a permitir establecer la variación de temperaturas del estado inicial con el estado final. El calorímetro nos permite determinar esto debido a que sus paredes son casi adiabáticas es decir no permite el intercambio de calor con el exterior. En términos generales es de gran importancia conocer esta relación ya que nos va a permitir saber cuánta energía mecánica puede ser producida por una cantidad de energía térmica. Esta relación es de gran importancia en la industria ya que nos va poder decir que no toda la energía que le demos a un sistema se va a convertir completamente en trabajo debido a que este siempre desprende energía en forma de calor. Es decir en la industria nunca va haber una maquina perfecta que toda la energía te la transforme en trabajo es decir la eficiencia de una maquina nunca es de un 100%.Esta relación también va de acurdo con la ley de la conservación de la energía y es Por esto que para considerar la energía total de un sistema es de gran importancia agregar a esta energía la que se desprende en forma de calor

Reflexionar y responder1. Si el trabajo realizado es de un joule y éste se emplea exclusivamente en

“calentar”, ¿cuál es el valor equivalente en calorías? 0.239005736137667 Ca2. En un calorímetro como el usado por Joule que contiene dos litros de agua (ρ

= 1g mL-1) se dejan caer diez veces dos pesas de mil gramos cada una, las cuales descienden quince metros. ¿Cuál es la variación de temperatura del agua en ºC?Mgh=mc(ΔT)ΔT=Mgh/mcΔT= (2kg)( 9.8 m/s2)(150m)/(2000g)( 1 cal/(g ºC)ΔT=1.47 ºC

PRACTICA 7 4

3. En un recipiente de 250 g de aluminio (cAl = 0.212 cal g -1ºC-1) se colocan 500 mL de agua a 18 ºC y con una resistencia que opera a 400 W se calienta el agua hasta una temperatura de 30 ºC. ¿Cuánto tiempo (min) tarda la resistencia en calentar el agua (cagua= 1 cal g -1 ºC - 1)?P=w/ΔtΔt=w/PΔt= (Qal + Qh20)/PQal (la energía en forma de calor que adquiere la masa de aluminio)Qal = 250 g × 0,212 [cal /(g × ºC) ] × 12 ºC = 636 calQaq (la en. en forma de calor que adquiere el agua)Qal = 500 g × 1 [cal /(g × ºC) ] × 12 ºC = 6000 calLa potencia es de 400 W, y como 1 W son 0,239 cal/s400 W = 400 W × 0,239 [(cal /s) / W] = 95,6 cal/s

Δt= (636 cal + 6000 cal)/ 95,6 cal/s =69,4 sΔt= 1.16 min

4. ¿Qué es potencia eléctrica y qué unidades tiene? Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”. Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

5. A partir de la ley de Ohm, la intensidad de corriente y la potencia, encontrar una relación entre la potencia, la resistencia y el voltaje.Ley de Ohm: "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo"Relación:I=V/R

I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) R = Resistencia en ohmios (Ω).

6. ¿Cómo se miden la resistencia y el voltaje? La resistencia se mide con un óhmetro, y se conecta entre los dos extremos de la resistencia a medir, estando ésta desconectada del circuito eléctrico.El voltaje se puede medir con un multímetro. Ambos se pueden conocer son las siguientes razones:-Si conoces el voltaje total y la corriente total, puedes utilizar la ecuación Rt=Vt/It para calcular la resistencia total. -Si conoces la potencia total y el voltaje total, puedes utilizar la ecuación Rt=Vt2/Pt para calcular la resistencia total.-Si conoces la potencia total y la corriente total, puedes utilizar la ecuación Rt = Pt/It2 para calcular la Resistencia total.

PRACTICA 7 5

 

Aplicación de lenguaje termodinámico1.- ¿Qué tipo de paredes tiene de Dewar?Tiene paredes rígidas, impermeables y adiabáticas.2.- ¿Cuál es el sistema en estudio?El agua y el vaso de Dewar (la capacidad térmica específica de éste).3.- Clasificar el sistema de trabajo de acuerdo al número de fases que presenta.Es heterogéneo si consideramos el interior del vaso que es sólido y el agua que es líquida (despreciando el aire).4.- Clasificar el proceso si el ³calentamiento´ del agua ocurre a presión constante.Es un proceso isobárico

Referencias

Wolfgang Bauer. (2011). Equilibrio mecánico del calor. En Física para

ingeniería y ciencias (583-584). México: Mc Graw Hill.

PRACTICA 7 6