"EQUIVALENTE MECANICO DE LA CALORIA"

EXPERIMENTO IFA4 LABORATORIO DE FISICA AMBIENTAL "EQUIVALENTE MECANICO DE LA CALORIA" MATERIAL: 1 (1) TRANSFORMADOR. 2 (1) TERMO DEWAR CON SOPORTE. 3 (1) CALEFACTOR. 4 (1) TERMOPAR TIPO "K". 5 (1) TERMÓMETRO DIGITAL, ESCALA (-40ºC,260ºC). (D T=0.1º) 6 (2) MULTIMETROS: USO VOLTIMETRO. ESCALA (O,20V) CA (D V=0.01V). USO AMPERIMETRO. ESCALA (O,10A) CA (D I=0.01A). 7 (1) PROBETA GRADUADA. ESCALA (O,250 cm 3 ). 8 (1) BAÑO TERMOSTATICO (COMPARTIDO). 9 (1) BALANZA. ESCALA (0,2610g). (D M=0.1g). (COMPARTIDA). 10 (6) CABLES DE CONEXION CON BANANAS. 11 (1) CRONOMETRO. ESCALA (O,60'). OBSERVACIONES: ANTES DE COMENZAR LA EXPERIENCIA, COMPROBAD QUE TODO EL MATERIAL QUE APARECE EN LA PRESENTE RELACION SE ENCUENTRA EN LA MESA DE TRABAJO. AL FINALIZAR DEJAD EL PUESTO ORDENADO Y LIMPIO VOLVIENDO A COMPROBAR QUE TODO EL MATERIAL ESTA EN SU LUGAR Y LISTO PARA SER UTILIZADO DE NUEVO. AL FINALIZAR LA EXPERIENCIA DESCONECTAD TODOS LOS APARATOS. ATENCION AL ELEGIR LA ESCALA DE MULTIMETROS!. M.Ramos Página 1 11/03/02

EXPERIMENTO IFA4 LABORATORIO DE FISICA AMBIENTAL "EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORÍMETRO Y DETERMINACIÓN DEL EQUIVALENTE MECÁNICO DE LA CALORÍA" I.- Introducción al experimento: La finalidad de esta experiencia es determinar el equivalente mecánico de la caloría. En definitiva lo que haremos será partir de una de las leyes básicas de la naturaleza, como es el principio de conservación de la energía, para a partir de él observar cuál es el comportamiento de las diferentes formas en que manifiesta esta magnitud. El proceso que seguiremos será la disipación de energía eléctrica, producida a partir de energía mecánica (salto de agua), en energía térmica, mediante el denominado efecto Joule tal y como se muestra en el diagrama. Alternadores Efecto Joule Energía mecánica (salto hidráulico)fi Energía Eléctrica (red)fi Energía Térmica (calentamiento de agua). El objeto de la práctica será realizar un balance de energía comprobando el principio de conservación de la misma. Si en el vaso termostático donde se calienta el agua no hubiese pérdidas (estuviese perfectamente aislado), el balance energético sería inmediato. Wdis = Vit Energía disipada por la resistencia eléctrica. Wdis = D U D U = mcpd q La energía anterior es empleada en aumentar la energía interna del sistema (agua). Sin embargo, en la realidad se comprueba que ni el vaso "Dewar", ni ningún otro, es perfecto y en consecuencia parte de la energía mecánica disipada se pierde como intercambio de calor con el ambiente exterior y por tanto el aumento de temperatura del agua será inferior de lo esperado. Para realizar correctamente nuestros cálculos tendremos que determinar estas pérdidas, lo conseguiremos mediante el llamado método de las mezclas, determinando el equivalente en agua del calorímetro, en este punto debéis consultar este método en la bibliografía recomendada y exponerlo en vuestro cuaderno de laboratorio. 2

En definitiva, comprobaréis que el equivalente en agua del calorímetro es el exceso de agua, que tendría un calorímetro ideal, cuyo aumento de energía interna en el proceso equivaldría a las pérdidas reales que tiene el vaso "Dewar". El balance energético final, teniendo en cuenta las pérdidas del calorímetro mediante el equivalente en agua del calorímetro K, será: W = D Usis + Pérdidas Pérdidas = Cp K D q VIt = Cp M D q + Cp K D q fi VIt = Cp (M+K) D q II.- Aparatos: En este experimento manejaréis los elementos básicos de experimentación en calorimetría, éstos son: 1º) Un vaso "Dewar", comúnmente llamado termo. Que es un recipiente fabricado con una doble pared de vidrio, manteniendo en su interior vacío con objeto de evitar pérdidas conductivas de calor. También está recubierto de un baño metálico para evitar las pérdidas radiativas de calor. Por ello, es un recipiente con pocas pérdidas a través de sus paredes que permite realizar procesos de intercambio energético en su interior manteniéndole bien aislado del ambiente inmediato que le rodea. 2º) Fuente de energía mecánica.- Está basada en el efecto "Joule", y consiste en unas resistencias por las que circula una corriente alterna, pudiendo medir las característica de dicha corriente mediante unos analizadores digitales (voltímetro y amperímetro). 3º) Termómetros.- Se emplea un termopar de tipo "K" con lectura digitalizada de buena precisión y cómodo uso. III.- Método de Experimentación: La metodología que debéis seguir será la siguiente: a) Determinar el equivalente en agua del calorímetro. 1.- Para ello tomad dos masas de agua M 1, a temperatura ambiente T 1 y M 2 unos 10º C por encima de la temperatura ambiente a una temperatura T 2 (que sean aproximadamente iguales y cuya suma llene el vaso). 3

Las masas las debéis medir con la balanza de precisión 0,1g. El agua caliente la conseguís del agitador magnético con termostato que compartís con vuestros compañeros (medid las temperaturas con el termómetro digital). 2.- Una vez tengáis los dos sistemas anteriores en el vaso "Dewar", agitáis hasta que la temperatura se estabilice y medís la temperatura de la mezcla Tm, de la mezcla. Con estos datos podéis obtener el equivalente en agua del calorímetro K. Construid en vuestro cuaderno una tabla con el siguiente contenido: M1(g) D M1(g) M2(g) D M2(g) T1(ºC) D T1(ºC) T2(ºC) D T2(ºC) T m(ºc) D T m(ºc) Tabla I. En vuestro estudio del equivalente en agua encontraréis las siguientes expresiones: K M T 2 = T 2( ) M T T1 1 DK DM T 2 - T DM M 2( T 2- T ) M 2 M 2( T 1-T 2) = 1+ 2+ DT + DT + DT T - T 1 T -T 1 2 1 2 ( ) T -T 1 ( T -T 1) 2 b) Debéis de proceder a la medida del equivalente mecánico del calor, para ello: 1.- Montad el circuito que se representa en la figura 1, éste nos permitirá alimentar las resistencias y conocer exactamente la energía disipada en ellas. Figura 1 2º Leed detenidamente las instrucciones de manejo de los analizadores, termómetro y cronómetro. 3º Llenad el vaso Dewar con agua a la temperatura ambiente, T1(ºC), en una cantidad M (próxima a M 1 +M 2 de la experiencia anterior). 4

4º Conectar el transformador (no apretar aún el interruptor). 5º Elegid las escalas adecuadas para los analizadores Amp 10A Ac Volt 20v Ac 6º Preparad el cronómetro y el termómetro. 7º Conectad simultáneamente el cronómetro y el transformador, que calienta el circuito (presionando el interruptor), durante el tiempo que hayáis establecido (aproximadamente un minuto). 8º Removed y observad, una vez transcurrido el tiempo de calentamiento tras dejar de presionar el interruptor, mide el tiempo, t(s), que has estado calentandi y la temperatura final de equilibrio T2(ºC). 9º Medid la temperatura final T 2 y realizar los cálculos para determinar J. Este proceso lo debéis realizar dos veces!. 10º Construid en vuestro cuaderno de notas, dos tablas con el siguiente contenido: t(s) D t(s) V(V) D V(V) I(A) D I(A) Cp(cal/gº) (M+K)(g) D (M+K)(g) T1(ºC) D T1(ºC) T2(ºC) D T2(ºC) 1 Tabla II. IV.- Resultados y Conclusiones: 1º Realiza los cálculos teniendo en cuenta las siguientes expresiones: VIt (Julios) = Cp (cal/gº) (M+K) (g) (T2-T1) (º) J (Julio/cal) J VIt = Cp( M + K )( T 2- T 1) 2º Justificad en vuestro cuaderno las siguientes expresiones de errores: DJ DV DI Dt D( M + K) D( T 2-T 1) = + + + + J V I t M + K T 2-T 1 Donde D (M+K) = D M + D K D (T2-T1) = D T2 + D T1 5

V.- Bibliografía: 1.- "Calor y Termodinámica". M. W. Zemansky y R. H. Dittiman. Ed. MacGraw Hill. 2.- "Cursos de Termodinamica".- J. Aguilar. Ed. Alhambra. 3.- "Tratamiento Matematico de Datos". Spiridonov.- Ed. Mir. 6