Laboratorio de termodinámica La lampara de lava, la temperatura y la densidad
dinorey92Tarea17 de Febrero de 2022
2.270 Palabras (10 Páginas)560 Visitas
UNAM - Facultad de Química Laboratorio de termodinámica GPO 11
La lampara de lava, la temperatura y la densidad
Everastico Mendoza Santiago Gabriel Bakugan022011@gmail.com
Resumen
Se demostrará la ley de conservación de energía por medio de calcular la energía consumida por una lampara de lava y la relación con la energía térmica desprendida por la misma lampara.
Introducción
En el experimento que realizare lo primero será desglosar los componentes internos de una lampará de lava, para una mayor compresión del cómo funciona está a partir del conocimiento de cada uno de sus componentes tanto físicos como químicos. Comenzando por la masa del líquido interno obtenida con datos de internet sobre dicho modelo de lampara, suponiendo un aproximado de la densidad, observaremos que esta última disminuye al aumentar la temperatura gracias al fenómeno explicado en la primera ley de la termodinámica donde la energía eléctrica se convierte en calorífica por medio del uso de un foco colocado en la base de la lampara; Observamos que a partir de cierto aumento en la temperatura, la cera de parafina comenzara a moverse a lo largo de la lampara y cambiara su tamaño, este proceso depende del tiempo que caliente la lampara, ya que, que a temperatura ambiente la cera tendrá mayor densidad que el agua, por lo que estará hasta el fondo de la lampara y tendremos que esperar para observar el fenómeno.
Una vez analizado el sistema, tendremos como objetivo principal del experimento demostrar el funcionamiento de la ley de conservación de la energía, midiendo la energía eléctrica consumida y la energía térmica producida por una lampara de lava, así encontrando la relación que guarda este sistema con la termodinámica, esto lo llevaremos a cabo con la ayuda de diferentes formulas y postulados que nos ayudaran a encontrar la relación de la energía térmica con la energía calorífica.
Ley de la conservación de la energía (Primer principio de la termodinámica)
La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado, que no cuente con interacción alguna con otro sistema, permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía.
En pocas palabras, lo que nos quiere decir esta ley, es que la energía no se crea ni se destruye, pero se puede transformar en diferentes tipos de energía como nuestro caso de la lampara de lava que pasa la energía eléctrica a energía calorífica por medio de un sistema aislado.[pic 1]
ArchOneZ 2017 istockphoto.com
Las formula principal que describe la primera ley de la termodinámica dicta que ;[pic 2]
Donde se establece que, al suministrar una determinada cantidad de calor (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema (ΔU) más el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores.
Derivando: [pic 3]
Efecto Joule[pic 4]
Es el fenómeno irreversible por el cual, un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura de este. La fórmula que describe este efecto es:
[pic 5]
donde Q es el calor, la R es la resistencia eléctrica, la I es la intensidad eléctrica y finalmente t es el tiempo en que estuvo presente la corriente eléctrica.[pic 6]
A pesar de que no requerimos calcular el calor, podemos guiarnos en esta formula para encontrar la energía consumida antes de transformarse en energía calorífica. La energía consumida (Ee) se calcula multiplicando la potencia de la lampara de lava por el tiempo de uso; Para encontrar el valor de la potencia eléctrica debemos encontrar el voltaje por medio de un voltímetro y multiplicarlo por la intensidad de corriente que encontraremos con la ley de Ohm.
Ley de Ohm
Uno de los datos que necesitamos para encontrar la energía consumida es la intensidad eléctrica, la cual gracias a la ley de Ohm podemos calcular; La ley de Ohm que dicta que “La Corriente que circula por un circuito eléctrico varía de manera directamente proporcional a la Diferencia de Potencial, e inversamente proporcional con la Resistencia del circuito”. Visto de manera matemática nos da la siguiente formula: [pic 7]
Donde V es el voltaje y R la resistencia eléctrica [pic 8]
[pic 9]
Tabla para calcular la energía consumida
Ahora comprendiendo todos los principios que necesitamos para obtener la energía eléctrica consumida por la lampara de lava (Ee), realizare una tabla que resuma estos conceptos y nos facilite la resolución de esta:
VALOR BUSCADO | UNIDAD | INSTRUMENTO O FORMULA | PROCEDIMIENTO | VARIABLES |
Tiempo (t) | minutos (min) | Cronometro de celular | Cada 15 minutos sonaba una alarma que indicaba la toma de temperatura | Independiente |
Voltaje de la casa (V) | Voltios (V) | Multímetro | Colocar la perilla en corriente alterna, colocar el cable rojo el VΩmA y el negro en common. Después se colocan las puntas en las diferentes ranuras del enchufe. | Independiente |
Resistencia eléctrica de la lampara (R) | Ohmios (Ω) | Investigado en la red | Investigado en la red (10 Ohms) | Independiente |
Intensidad de corriente eléctrica que circula por la lampara (I) | Amperes(A) | Ley de Ohm [pic 10] | Dividir el voltaje de la casa entre la resistencia eléctrica de la lampara | Dependiente |
Por último, basándonos en el efecto Joule, obtendremos la fórmula que utilizaremos para el cálculo de la energía consumida:
Ee= I*V*t
Energía térmica producida
La energía térmica es aquella energía contenida en un sistema que es responsable de su temperatura. La termodinámica estudia como el calor se transfiere entre diferentes sistemas y cómo se realiza un trabajo en base a la primera ley de la termodinámica.
En nuestro caso necesitaremos calcular la energía térmica producida a partir del cambio de energía eléctrica a energía térmica por medio del sistema de la lampara de lava; Para esto nos basaremos en la fórmula de calor especifico.
Calor especifico
El calor especifico nos indica la capacidad de almacenamiento de calor de una substancia. Esta propiedad térmica está íntimamente relacionada con la composición molecular de la substancia y su densidad. La fórmula para calcular calor específico es Q=mcΔt. Donde el calor especifico(Q) es igual a masa(m) por la capacidad calorífica (c) por el cambio de temperatura (Δt).
Capacidad calorífica
Por último, solo nos queda explicar uno de los datos necesarios para el cálculo de la energía térmica producida por la lampara de lava, que es la capacidad calorífica de la sustancia interna de la lampara de lava; La capacidad calorífica es una característica de la sustancia de la que está compuesto el cuerpo que nos indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Es una propiedad que depende de la masa por lo tanto es extensiva. Como la sustancia que predomina utilizaremos la capacidad calorífica del agua que es 4186 julios/gramo ºC; pero como el calor especifico lo requiere, utilizaremos 4186000 julio/kilogramo °C
Tabla para calcular la energía consumida
Ahora conociendo los datos podemos encontrar nuestra fórmula para obtener la energía térmica (Et) que sería: Et= C*m*T
Donde C es la capacidad calorífica del agua, la T es la temperatura de la lampara y m es la masa del liquido de la lampara; para una mayor facilidad de resolución tendremos la siguiente tabla
VALOR BUSCADO | UNIDAD | INSTRUMENTO O FORMULA | PROCEDIMIENTO | VARIABLES |
Capacidad calorífica (C) | J/g. ºC | [pic 11] Sin embargo, nosotros la obtendremos de internet a falta el valor de Q (4,1813 julios/gramo ºC) | Se obtuvo de internet en julios/gramoºC | Dependiente |
Masa(m) | Kg | m= V*ρ V= volumen del agua en la lampara (1200ml=1200)[pic 12] ρ= densidad del agua (0,998 g/cm3) | Obtuvimos tanto la densidad del agua como el volumen en internet; Ya solo queda utilizar la formula y el resultado en gramos pasarlo a kilogramos. | Dependiente |
Temperatura(T) | ºC | termómetro | Se coloca el termómetro en una posición estratégica para obtener la temperatura | Independiente |
...