88219284 informe efecto joule
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Titulo Del InformeF. Martínez, C. MejíaUniversidad del Valle
Resumen
Se determinó el equivalente mecánico del calor (J) por medio de un calorímetro y diferentes masas de agua, el agua, que se encontraba en el calorímetro se le aumento la temperatura por medio de una resistencia por la cual recorría una corriente I que variaban entre 3,5 y 4,0 A, el incremento en la temperatura se registraba constantemente con un termómetro durante un tiempo de 15 minuto con el fin de observar la relación entre el incrementito de la temperatura y el tiempo para poder obtener un valor de J para cada experimento y probar la valides de la Ley de Joule.
Introducción
El calentamiento de los conductores por el paso de la corriente eléctrica fue uno de los primeros efectos observados por los científicos estudiosos de los fenómenos eléctricos, sin embargo, habría de pasar algún tiempo antes de que se conociera la magnitud de tal efecto calorífico y los factores de los que depende. James Prescott Joule (1818-1889) se interesó desde joven en la medida de temperaturas de motores eléctricos, lo que le permitió hacia 1840 encontrar la ley que rige la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. La ley de Joule establece que la cantidad de calor producida es directamente proporcional a la resistencia R del conductor, al cuadrado de la intensidad de corriente I que lo atraviesa y al tiempo t. es decir Q=I ²Rt
El efecto calorífico, también llamado efecto Joule, puede ser explicado a partir del mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en los choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un aumento de la temperatura y a la consiguiente producción de calor. La ley de Joule, por su parte, puede ser enfocada como una consecuencia de la interpretación energética de la ley de Ohm. Si I.R representa la energía disipada por cada unidad de carga, la energía total que se disipa en el conductor en forma de calor, cuando haya sido atravesado por una carga q, será: Q=qIR
En éste efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, entre otros, en los que el efecto útil buscado es, precisamente el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados.
Modelo Teórico
Basándose en la ley de Joule y en el principio de la conservación de la energía se determinó experimentalmente el equivalente mecánico del calor J. Las ecuaciones aplicadas fueron:
W =∫ Pdt=VI ( t f−t i )(1)Mc=M agua cagua+M cal ccal(2)
J=[WQ ]=[ VI
∑ Mc∆ t∆ T ](3)
(∑ Mc )∆ T=1J
(VI ) ∆ t (4 )
m=1J
VIMc
(5)
%Error=|Valor Real−Valor Experimental|
Valor Real×100
(6)
Las gráficas, las pendientes y los interceptos con sus respectivas incertidumbres se
obtuvieron por OriginPro8 y los cálculos se hicieron con Excel 2007.
Detalles Experimentales
Se le midió a una cantidad de agua la temperatura y su masa por medio de una termómetro de ± 0,1°C y una balanza de ±0,1g, respectivamente, ésta cantidad de agua fue vertida en un recipiente de aluminio denominado calorímetro al cual se le mido la masa por medio de una balanza de ± 0,1g, en éste se encontraba una resistencia eléctrica. El calorímetro se conectó por medio de cables de conexión a una fuente de potencia, a un reóstato y a un multímetro, con el fin de hacer pasar una corriente eléctrica por medio de la resistencia, transformar esa energía eléctrica a energía calórica, y conocer la corriente que circulaba por la resistencia. Al pasar un tiempo definido la temperatura del agua se incrementaba con respecto a la temperatura inicial, estas nuevas temperaturas se midieron con un termómetro de ± 0,1°C. El anterior procedimiento se realizo para tres diferentes masas de agua. Los valores de las temperaturas, las masas de agua y el calorímetro, los tiempos, las corrientes y las diferencias de potencias se observan en la Tabla 1.
Experimento 1Masa del calorímetro 47,5g ± 0,1gMasa de Agua 103,8g ± 0,1gMasa del calorímetro mas el agua 151,3g ± 0,1g
Calor especifico del calorímetro 0,22cal
g ° C
Calor especifico del agua 1,00cal
g ° CTemperatura Inicial (Ti) 21°C ±0,1°C
t[s]± 0,13s
T[°C]± 0,1°C
t[s]± 0,13s
T[°C]± 0,1°C
240480600660720
2738
43,0546
50,5
7808409009601020
51,553,555,55860
V=60,1v±0,01v I=3,61A±0,01AVI=21,70W±0,10
WExperimento 2
Masa del calorímetro 47,5g ± 0,1gMasa de Agua 202,9g ± 0,1gMasa del calorímetro mas el agua 250,4g ± 0,1g
Calor especifico del calorímetro 0,22cal
g ° C
Calor especifico del agua 1,00cal
g ° CTemperatura Inicial (Ti) 22,5°C ±0,1°C
t[s]± 0,13s
T[°C]± 0,1°C
t[s]± 0,13s
T[°C]± 0,1°C
120240300360420
26,530,532,234,536
480540600660720
38404244
45,5
V=6,25v±0,01v I=3,7A0±0,01AVI=23,13W±0,10
WExperimento 3
Masa del calorímetro 47,5g ± 0,1gMasa de Agua 278,7g ± 0,1gMasa del calorímetro mas el agua 326,2g ± 0,1g
Calor especifico del calorímetro 0,22cal
g ° C
Calor especifico del agua 1,00cal
g ° CTemperatura Inicial (Ti) 22,5°C ±0,1°C
t[s]± 0,13s
T[°C]± 0,1°C
t[s]± 0,13s
T[°C]± 0,1°C
120240300360420
27,529,53132
33,5
480540600660720
34,5363738
39,5
V=6,28v±0,01v I=3,80A±0,01AVI=23,86W±0,10
WTabla 1. Datos obtenidos experimentalmente para cada masa de agua.
Análisis de Datos y Resultados
Con el fin de obtener el valor del equivalente mecánico del calor, se aplica a la ecuación 2 a los datos obtenidos en la Tabla 1 para obtener el producto de las masa y la capacidad calorífica de la mayoría de los elementos que entran en contacto (agua y calorímetro). Estos valores se pueden observar en la Tabla 2
Experimento Mc ± 0,122Cal° C
1 144,25Cal° C
2 213,35Cal° C
3 289,15Cal° C
Tabla 2. Mc de los materiales que entran en contacto en el calorímetro
El equivalente mecánico del calor J esta dado por la ecuación 3, reescribiendo esta ecuación
en función de las magnitudes físicas mesurables que son la temperatura del agua y el tiempo se tiene la ecuación 4 la cual tiene una estructura lineal, lo que favorece la obtención de J conociendo la pendiente de la recta de la temperatura en función del tiempo, el valor de VI y Mc. En la Grafica 1 se observa la temperatura en función del tiempo
Grafica 1.Datos de temperatura y tiempos obtenidos para los experimentos 1, 2 y 3.Las ecuaciones que representan cada recta se pueden observar en la Tabla 3
Experimentos Ecuación de linealización R2
1 (17,731±1,044)+t(0,042±0,001) 0,990
2 (18,526±1,189)+t(0,025±0,002) 0,97
3 (22,276±0,827)+t(0,016±0,001) 0,96
Tabla 3. Ecuaciones de la Grafica 1 de la fomra Y=a+tb, donde
las unidades de a y b son respectivamente s
°C y
°Cs
Lo que interesa es conocer el valor de J para cada uno de los 3 experimentos. Con lo datos consignados en la Tabla 1, 2, 3, la ecuación 5 y la Grafica 1 se obtiene J. En la Tabla 4 se indica éste valor.
Experimento Equivalente mecánico del calor1
3,58J
cal ±0,0234
Jcal
24,07
Jcal
±0,286J
cal3
5,00J
cal±0,187
Jcal
Tabla 4. Equivalente mecánico del calor para cada experimento
Para obtener un solo valor de J se promedia los valores indicados en la Tabla 4 obteniendo que el valor promedio
experimental de J hallado en el laboratorio fue de:
J = 4,31J
cal±0,166
Jcal
Debido a que el valor de J es experimental se calcula el porcentaje de error para observar que tan confiable es este valor. Con lo que se obtiene que su porcentaje de error referente al
valor real (J=4,186 J
cal) es de:
%Error=2,96
Debido a que no es posible encontrar el valor exacto de los calores específicos de todos los elementos que componen el calorímetro se grafica el inverso de las pendientes encontradas en la Grafica 1 para observar una aproximación del c que esperaría obtener en conjunto. La Grafica 2 ilustra el comportamiento de los inversos de las pendientes de la Grafica 1
Grafica 2. Inverso de las pendientes de la Grafica 1. Linealización de la forma Y=a+bx donde a y b valen
respectivamente (-0,4986± 7,81) g . s° C
y (0,2183 ± 0,003762)
s°C . g
, con un factor de correlación de 0,94
A partir de la Grafica 2, se obtiene que el valor del calor específico que se obtuvo para todo el conjunto experimental es de:
0,2183s
°C . g ± 0,003762
s°C . g
Como se pudo observar en la Grafica 1, el comportamiento que se tuvo en los tres experimentos se aproximo mucho a un comportamiento lineal, esto era algo de esperarse debido a que el aumento de la temperatura es directamente proporcional al tiempo de exposición. Por otro lado el factor de correlación obtenido fue bueno, debido a que fue superior a 0,96, lo cual indica un adecuado proceso experimental.
Los valores para los equivalentes mecánicos (J) en los tres experimentos no varían mucho entre sí, este comportamiento es el indicado y concuerdan con los valores para los factores de correlación en los experimentos. Por otro lado el valor experimental encontrado para J es muy aproximado al valor teórico con un margen de error muy bajo lo cual indica la valides de la ley de Joule.
Según lo indicado por la Grafica 2 el calor específico del conjunto empleado en los experimentos es muy parecido al del calorímetro, esto es algo que no se esperaría, debido a la gran variedad de elementos que interactúan (resistencia, agua, calorímetro, termómetro, entre otros) pero este comportamiento se debe a que la mayor proporción de los elementos usados en el experimentos es el calorímetro por lo que predomina su calor especifico.
Conclusiones
Se observó que la energía potencial eléctrica proveniente de una fuente, sufre una transformación a energía calórica confirmando el principio de la conservación de la energía.
Se observó la valides de la Ley de Joule al encontrarse el valor del equivalente mecánico del calor muy cercano al valor teórico.
Referencias
YOUNG, H. FREEDMAN, R. (2009) Física universitaria volumen
2. Decimo segunda edición. Pearson Educación. México D.F. 582-586 p. ISBN 978-607-442-288-7.
http://es.wikipedia.org/wiki/Vatio http://www.fisicanet.com.ar/fisica/
electrodinamica/ap02_potencia_electrica.php
http://www.hiru.com/fisica/energia-electrica-y-efecto-joule