7. EFECTO JOULE TAREA DE PREPARACIÓN

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1 7. EFECTO JOULE TAREA DE PREPARACIÓN Lea cuidadosamente la guía para está práctica, consulte la bibliografía dada al final de la misma y responda las siguientes preguntas antes de la realización de la practica. 1. Cuál es la expresión para la potencia disipada por una resistencia R por donde circula una corriente I? 2. Por una resistencia R circula una corriente de 3.25 amperios (A) y la caída de potencial entre sus extremos es de 5.76 voltios (V). Cuál es el valor de R? Cuál es la potencia (W) que disipa? 3. Si sumergimos en agua la resistencia de la pregunta 2, Cuánta energía cede ella al agua en 350 segundos? Exprese su respuesta en Joules (J) y en calorías (Cal). 4. Dos resistencias de 2 son colocadas en serie y en paralelo a través de una batería de 10 V. Cuál es la potencia disipada en cada caso? 5. Si la resistencia del problema 2 se coloca en un calorímetro de aluminio (Calor específico del aluminio = 0.22 cal/g 0 C) de masa 60 g, con 200 gramos de agua a 24 0 C. (Desprecie la calor específico de la resistencia). Cuál es la temperatura del sistema 500 segundos más tarde, suponiendo que toda la energía eléctrica se convierte en calor en el agua y en el calorímetro? Experimentación Física II 61

2 7. EFECTO JOULE 1. OBJETIVOS Estudiar los procesos de transferencia de energía entre un circuito y el medio ambiente. Determinar el factor de conversión entre la unidad de energía del Sistema Internacional (Joule) y la unidad de energía llamada caloría. 2. Modelo 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 m cuando 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 T inicial. ii) V : Caida de potencial a través de la resistencia iii) I : Intensidad de corriente que circula por la resistencia iv) magua : masa de agua en el sistema v) cagua : calor específico del agua Experimentación Física II 62

3 vi) mcal : masa del vaso calorimétrico vii) c cal : 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 mresistencia cresistencia es despreciable con respecto a la suma m agua c agua + m cal c cal 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 = VI t = (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? 3. DISEÑO EXPERIMENTAL 3.1 Materiales y Equipo 1. Calorímetro con resistencia calefactora 2. Fuente de poder PHYWE Reóstato 0 44, I max = 3 A 4. Cables de conexión 5. Termómetro 6. Cronómetro 7. Amperímetro 8. Voltímetro 9. Balanza 10. Computador e interface (si está disponible) Experimentación Física II 63

4 3.2 Método experimental Un calorímetro es un dispositivo diseñado para medir la calor específico de un material. El que Ustedes encontrarán en el laboratorio consta de: i) una resistencia calefactora; ii) un vaso calorimétrico: el recipiente interior para contener el líquido cuya calor específico se quiere medir (en nuestra experiencia será el agua); iii) un vaso exterior cuya función es aislar (hasta cierto punto) térmicamente el sistema en estudio (conformado a su vez por la resistencia, el líquido estudiado y el vaso calorimétrico); iv) un aro metálico para agitar el líquido durante el calentamiento, asegurando así la distribución uniforme de la energía transferida al líquido; v) un anillo de caucho que sostiene el vaso calorimétrico dentro del vaso exterior El sistema experimental consiste en el calorímetro con agua, más el circuito eléctrico al que pertenece la resistencia calefactora. Este sistema se representa esquemáticamente en la figura 1. La resistencia variable tiene por objeto proteger la fuente y el elemento calefactor. Figura 1. Montaje experimental para el estudio del efecto Joule Se medirán las variables temperatura (del sistema en estudio), intensidad de corriente y caida de potencial (a través de la resistencia calefactora) en función del tiempo Se dispone de una balanza para medir la masa del agua y del vaso calorimétrico. Experimentación Física II 64

5 3.3 Precauciones Empiecen con el reóstato en su posición de resistencia máxima y muevan lentamente el indicador. Nunca lleven el reóstato o resistencia variable R v a cero. Verifiquen que los instrumentos de medición estén en la escala apropiada y con la polaridad correcta antes de encender la fuente Nunca cierren el circuito sin que la resistencia calefactora esté completamente sumergida en agua (porque se quema) Cerciórense de que el sensor de temperatura esté justamente en contacto con el agua, debajo de su superficie, sin tocar ni la resistencia calefactora ni las paredes del vaso calorimétrico No olviden agitar suavemente el líquido durante todo el proceso de calentamiento. 4. Procedimiento experimental 4.1 Pesen el vaso calorimétrico vacío, sin el anillo de caucho que lo rodea. 4.2 Viertan unos 200 ml de agua en el vaso calorimétrico y pésenlo nuevamente. 4.3 Monten el circuito de la figura 1. Coloquen la resistencia calefactora dentro del agua. Ajusten tanto la fuente como el reóstato de modo que la intensidad de corriente esté entre 2 A y 3 A y la caida de potencial en la resistencia calefactora entre 5 V y 6 V. Apaguen luego la fuente, dejando fijas las posiciones del reóstato y del control de voltaje de salida en la fuente. 4.4 Introduzcan cuidadosamente el sensor de temperatura (ver 3.3.3). Anoten la temperatura inicial del agua, asegurándose primero que sea estable y uniforme. 4.5 Cierren el interruptor y simultáneamente pongan en marcha el cronómetro. Anoten en la tabla 1 los valores de la temperatura, la intensidad de corriente y el voltaje aproximadamente cada minuto. Deben organizar el trabajo en equipo para ser lo más precisos que puedan, en especial con la variable temperatura. Mientras tanto deben agitar sin cesar el líquido. 4.6 Cuando la temperatura haya alcanzado entre unos 10º a 15 por encima de la temperatura inicial apaguen la fuente. 4.7 Repitan el proceso de calentamiento para otras dos muestras de agua, de masas diferentes entre sí y con respecto a la primera en unos 25 gramos. Si disponen del sistema automatizado de toma de datos pueden estudiar otras muestras, según indique el profesor. 5. Análisis. 5.1 Grafiquen Temperatura del agua contra Tiempo (medido en el cronómetro), para cada una de las muestras. 5.2 Dichas gráficas deberían poder ser ajustadas analíticamente mediante líneas rectas con un muy buen coeficiente de correlación, bajo las condiciones indicadas en el modelo teórico. A partir de la ecuación (1) y teniendo en cuenta la respuesta a la pregunta hecha al final de la parte 2, muestren que las pendientes de tales líneas pueden interpretarse, en cada Experimentación Física II 65

6 caso, como el cociente entre la potencia promedio disipada en la resistencia (VI) y el "equivalente en agua del calorímetro" (mc), siendo mc= magua cagua + mcal ccal. A partir de esta interpretación, calculen los valores experimentales (para cada muestra) de la magnitud mc (con su respectiva incertidumbre), en unidades Joule/ºC. Muestren también que mc representa la energía que se debe transferir al sistema para que su temperatura aumente en una unidad Realicen una gráfica de la magnitud "equivalente en agua del calorímetro" contra la masa de agua, para las tres muestras. Haga un ajuste lineal a la gráfica. Interpreten la pendiente y el intercepto de la línea de mejor ajuste. 5.4 El valor de referencia para el calor específico del agua destilada, a una temperatura muy próxima a la del laboratorio, es exactamente 1 caloría /gºc (por definición de la unidad de energía llamada caloría). Comparando su resultado para el calor específico del agua con el valor de referencia, encuentren el factor de conversión entre ambas unidades de energía (Joule y caloría). No olviden calcular la incertidumbre experimental de este resultado. Por último, confronten el resultado obtenido con el factor de conversión reportado en los manuales, que a veces se denomina equivalente mecánico del calor. 5.5 Qué pasaría con la precisión de sus resultados si en lugar de agua se empleara un líquido de calor específico de 0.25 cal/g C? Aumentaría o disminuiría? (hagan explícito su razonamiento). 5.6 Evalúen hasta qué punto se satisfacen las condiciones indicadas en el modelo teórico. BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA [1] Física tomo II, R. A. Serway, 4 ra edición. Editorial Mc. Graw Hill. [2] Física Para Ciencias e Ingeniería, Tomo 2; Halliday - Resnick, Editorial CECSA [3] Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 2; Fisbane, Gasiorowicz, Thornton; Editorial Prentice- Hall Hispanoamericana Experimentación Física II 66

7 Grupo de practica : Nombre Código Plan TABLA DE DATOS Masa calorímetro más agua = g Ti = 0 C Masa Calorímetro = g C alorímetro = cal/g 0 C Masa del agua = g C agua = cal/g 0 C Masa del alambre = g C alambre = cal/g 0 C t (s) V (v) I (A) T ( 0 C) Experimentación Física II 67