EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR
I. INTRODUCCIÓN
Del principio de conservación de la energía, la cantidad de trabajo
mecánico realizado para llevar a cabo una actividad puede
transformarse en calor, o sea, la energía térmica es equivalente al
trabajo realizado. En esta experiencia encontraremos la relación
cuantitativa de la equivalencia entre el trabajo mecánico (joules) y
energía térmica (calorias)
II. OBJETIVOS
El objetivo de la práctica es utilizar la equivalencia entre calor Q y
trabajo W (en ausencia de variación de energía interna) para la
determinación del calor específico de un cuerpo sólido.
La energía mecánica se transforma totalmente, debido a la
fricción, en calor. En el experimento, se hace girar un cilindro
metálico, calentándolo con una cinta de fricción tensa de material.
III. FUNDAMENTO TEORICO
Para elevar la temperatura de un cuerpo o sistema es necesario
ponerlo en contacto con otro cuerpo de temperatura mayor o bien
realizando trabajo mecanico sobre este, esta energía mecánica si
se transforma en energía térmica se mide en calorías; se encontró
la relación entre las caloríficas y las unidades de Joule mediante
una experiencia en la cual la energía mecánica es transformada
íntegramente en energía térmica.
Joule determino la equivalencia de 4.186 Julios = 1 cal, a través de
un aprato en el cual unos pesos que caen pierden energía
mecánica, haciendo girar un conjunto de paletas dentro de un
recipiente que contiene agua, originando calentamiento del agua.
Actualmente sigue siendo aceptado este resultado.
Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la
temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía
en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un
cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el
nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa
como:
La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y
está relacionado con otra magnitud fundamental de la
calorimetría, el calor específico.
Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una
cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de
agua es igual a 1 cal/K.
Calor específico
El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce
como calor específico. En términos matemáticos, esta relación se
expresa como:
donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la
capacidad calorífica, Q el calor aportado y DT el incremento de
temperatura.
El calor específico es característico para cada sustancia y, en el
Sistema Internacional, se mide en julios por kilogramo y kelvin
(J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual
a:
Del estudio del calor específico del agua se obtuvo,
históricamente, el valor del equivalente mecánico del calor, ya
que:
Calorimetría
La determinación del calor específico de los cuerpos constituye
uno de los fines primordiales de la calorimetría.
El procedimiento más habitual para medir calores específicos
consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición
en un baño de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el
sistema está aislado, cuando se alcance el equilibrio térmico se
cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido
por el agua, o a la inversa.
Método de medida de calores específicos. Al sumergir un cuerpo en agua de
temperatura conocida, cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor cedido
por el cuerpo es igual al absorbido por el agua.
Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a la absorbida, se
cumple que:
Siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor específico, T la
temperatura inicial del cuerpo, ma la masa de agua, ca el calor
específico del agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la
temperatura final de equilibrio. Todos los valores de la anterior
expresión son conocidos, excepto el calor específico del cuerpo,
que puede por tanto deducirse y calcularse de la misma.
Calor específico de los gases
En el caso de los gases, ha de distinguirse entre calor específico a
volumen constante (cv) y a presión constante (cp). Por el primer
principio de la termodinámica, y dado que el calentamiento de
un gas a volumen constante no produce trabajo, se tiene que:
En el caso particular de gases diluidos, la vinculación entre el calor
específico a presión y a volumen constante sigue la llamada
relación de J. R. Mayer (1814-1878):
siendo Nm el número de moles por unidad de masa y R la
constante universal de los gases perfectos.
IV. DESCRIBCION DEL EXPERIMENTO
En Esta experiencia se transmite calor a un cilindro de aluminio
por medio del dispositivo instalado, la fricción ejercida por una
cuerda de nylon enrollada sobre el cilindro incrementará su
temperatura al girar la manivela; esta temperatura es medida en
función al cambio de resistividad del termistor dentro el cilindro, y
puede medirse con el ohmímetro.
El trabajo realizado sobre el cilindro al girar la manivela es igual al
producto del torque aplicado “t” y el ángulo total recorrido, se
clacula considerando el valor de la masa suspendiada a un
extremo de la cuerda de nylon y el radio del cilindro, según la
siguiente ecuacon.
T = MgR
Donde M es la masa del cuerpo suspendido, R es el radio del
cilindro de aluminio, g es el valor de la gravedad.
El recorrido angular se mide tomando en cuenta la lectura del
contador ubicado en el dispositivo y multiplicándolo por el valor
angular d euna vuelta (2πRad.)de modo que el trabajo total W
realizado puede determianrse de:
W = t*θ= MgR(2πN)
V. EQUIPOS Y MATERIALES
Equipo (incluye: 1m de cuerda de Naylon, lubricante de
grafito, deposito para masa)
Balanza
Interfase
Miltitester digital
Vernier
Masa (10Kg)
Destornillador plano (mediano)
VI. PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES
Procedimiento para configuración de equipos y accesorios
a) Fije el equipo experimental al borde de la mesa de trabajo
b) Limpie el tambor cilíndrico con un paño limpio y agregue una
pequeña cantidad de polvo de grafito sobre la superficie.
c) Enrolle la cuerda de nylon alrededor del cilindro sujetando uno
de los extremos a la argolla de fijación y el otro a la masa
escogida.
d) Conecte el multitester a los terminales del termistor, usando
los claves de conexión adecuados.
e) Coloque el sector en Ohmios, en la posición de 2000K Ohmios,
el máximo.
f) Realice las mediciones y registre los valores para los
parámetros solicitados.
DATOS INICIALES
Parámetros Valores
Masa suspendida 2Kg
Masa del cilindro de
aluminio
0.257Kg
Radio del cilindro 166.5
Tempreratura inicial del
cilindro
24.5 ºC
Primera actividad (Calculo del equivalente mecanico)
a. Inicie lentamanete el movimiento de la manivela en sentido
horario.
b. Realic en promedio 25 giros de la manivela (tome la lectura del
contador)
c. Tome la lectura del multiteste y calcule la equivalencia de la
temperatura con los datos en el equipo.
d. Determine la variación de la temperatura (descontando 1ºC a la
temperatura final).
e. Calcule el trabajo con la ecuación y el calor producido.
f. Repita lospasos a hasta e y registre sus datos en la tabla
respectiva.
g. Determine en base a estos promedios el valor de W/Q.
h. Calcule el error absoluto y porcentual con el valor ya definido.
RESULTADOS Y CALCULOS
N 1 2 3 4 5 Promedi
o
Temperatur
a final (ºC)
24.1 23.625 23.225 22.825 22.375 23.23
Calor
producido
(cal)
Trabajo
Mecanico
(J)
VII. CUESTIONARIO
1. ¿CUALES PODRIAN SER LAS CAUSAS PARA LA
DIVERGENCIA ENTRE EL VALOR TEORICO PARA EL
EQUIVALENTE MECANICO?
Las causas podrían ser: el valor calculado y el teórico respecto al
equivalente mecánico.
También factores ambientales, como el clima debido a la variación
de temperatura.
El error humano a la hora del cálculo, debido a que se presenta un
porcentaje de error, en dicho calculo.
Entonces divergen de tal manera dichos valores(el teórico y el
calculado), dado que el teórico se basa en hechos reales,
considerando factores ambientales, ya sea como la temperatura
en forma real, y no en forma especulativa como ocurre en el caso
del calculado en el laboratorio.
2. ¿SERIA POSIBLE QUE EL CALOR ABSORBIDO POR EL
CILINDRO SEA MAYOR AL TRABAJO EFECTUADO SOBRE EL?,
EXPLIQUE
Para nada resultaría posible, porque dado que el trabajo realizado
sobre él hace que el cilindro absorba de alguna manera el trabajo
realizado en forma de energía sobre él.
Podría ser menor o igual pero no podría ser mayor.
Entonces la energía que absorbe el cilindro debido a un trabajo
realizado sobre el, depende de dicho trabajo realizado sobre él.
3. ¿PODRIA USTED DESCRIBIR UN PROCESO FISICO POR
EL CUAL PUEDA TRANSFORMARSE CALOR EN ENERGIA
MECANICA?
Calor, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un
cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de
temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una
zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura,
con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la
primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga
constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura
baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
James Prescott Joule El físico británico James Prescott Joule centró
sus investigaciones en los campos de la electricidad y la
termodinámica. Demostró que el calor es una transferencia de
energía y determinó el equivalente mecánico del calor.Science
Photo Library/Photo Researchers, Inc.
Pérdidas de calor en una vivienda Esta imagen de colores falsos
muestra el calor que se escapa de una vivienda en forma de rayos
infrarrojos. Las zonas negras son las que menos calor irradian,
mientras que las blancas (que coinciden con las ventanas) son las
que más calor pierden.NASA/Science Source/Photo Researchers,
Inc.
Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la
temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia
de una sustancia o forma de materia invisible, denominada
calórico. Según la teoría del calórico, un cuerpo de temperatura
alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el
primero cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto
ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho
cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teoría del calórico
explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las
pruebas experimentales presentadas por el físico británico
Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry
Davy en 1799 sugerían que el calor, igual que el trabajo,
corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de
energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott
Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de
forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y
que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo
4. PARA EL EXPERIMENTO REALIZADO, ¿SERÍA
NECESARIO TENER EN CUENTA LA ENERGÍA INTERNA DEL
CILINDRO?
No es necesario tenerla en cuenta ya que la energía interna de un
cuerpo depende de los procesos que transcurren en su interior, no
depende ni del movimiento de este ni de su posición con relación a
otros cuerpos tomados como referencia.
c = C m
Donde C: capacidad calorífica.
m: Masa del sistema
5. ¿CUÁL ES LA DEFINICIÓN DE CALOR ESPECÍFICO
VERDADERO?
Se llama calor específico de una sustancia, a la cantidad de calor
que es necesaria suministrar a un kilogramo de masa de dicha
sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado, se
mide en JOULES.
6. EXPLIQUE DETALLADAMENTE EL FUNCIONAMIENTO DE
UN TERMÓMETRO DE RESISTENCIA Y EL PAR
TERMOELÉCTRICO.
Definimos los siguientes conceptos a continuación:
Termómetro de resistencia
El termómetro se compone de un alambre fino, generalmente de
platino, arrollado sobre una armadura de mica y encerrado dentro
de un tubo de plata de paredes delgadas que sirve de protección.
Se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales
aumenta al crecer la temperatura.
Mediante hilos de cobre se une el termómetro a un dispositivo
para medir resistencias, el cual pude estar colocado en un sitio
conveniente. Puesto que la resistencia puede medirse con mucha
precisión, el termómetro de resistencia es uno de los instrumentos
más precisos para la medida de temperaturas, pudiendo
alcanzarse una aproximación de 0,001 ºC. El intervalo de
utilización de este termómetro de resistencia de platino abarca,
aproximadamente, de -250 ºC hasta 1760 ºC, punto de fusión del
platino.
Coeficiente de temperatura de la resistencia
La resistencia de un material en respuesta a una variación de la
temperatura se conoce como “coeficiente de la resistencia”.
El coeficiente se expresa como un cambio de resistencia en ohms
y por ohm por grado de temperatura a una temperatura
especifica. Para casi todos los metales, el coeficiente de
temperatura es positivo; para muchos metales puros, el
coeficiente es esencialmente constante en grandes porciones de
su gama útil.
7. ¿EN UNA LÁMINA DE ÁREA IRREGULAR EL COEFICIENTE
DE DILATACIÓN SUPERFICIAL ES EL DOBLE QUE EL
COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL?
La dilatación superficial de un sólido isótropo tiene un coeficiente
de dilatación superficial que es aproximadamente dos veces el
coeficiente de dilatación lineal. Por ejemplo si se considera una
placa rectangular (de dimensiones: Lx y Ly), y se somete a un
incremento uniforme de temperatura, el cambio de superficial
vendrá dado por:
Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo
comportamiento independientemente de la dirección, mientras
que en las anisotrópicas las propiedades varían con la dirección..
Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo
comportamiento independientemente de la dirección, mientras
que en las anisotrópicas las propiedades varian con la dirección.
En el caso de la luz, los cristales anisótropos presentan distintos
valores de sus índice de refracción en función de la dirección en
que vobre la luz al atravesar el cristal.
La anisotropía es una consecuencia de la estructura interna del
mineral. Si carece de organización interna (minerales amorfos) o si
presenta una organización muy regular son isótropos, los demás
son anisótropos.
Los minerales que cristalizan en el Sistema Cúbico (o Regular), es
decir, el de máxima simetría, con sus átomos o iones igualmente
distribuidos
en las tres
direcciones
principales del espacio, son isótropos. Los pertenecientes al resto
de los sistemas cristalinos (hexagonal, trigonal, tetragonal,
rómbico, monoclínico y triclino) son anisótropos, las disposiciones
de sus elementos constituyentes varían con la dirección y por
tanto su elasticidad para las ondas luminosas también es
diferente.
Por lo tanto para que el coeficiente de dilatación superficial sea
aproximadamente al doble del de dilatación lineal la lamina que se
esté analizando debe cumplir con las características de la isotropía
que significa debe ser un cuerpo regula
VIII. CONCLUSIONES
El experimento realizado nos sirvió para hallar la relación entre
trabajo realizado y el calor producido.
Comprendimos que la energía interna de un cuerpo, no depende
del movimiento.
La capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa, su
composición química, del estado termodinámico y del tipo de
transformación durante el cual se le suministra calor.
IX. BIBLIOGRAFIA
Ausberto Rojas Saldaña Fisica II .
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