Equivalente De Calor

Título: Equivalente eléctrico de calor

INTRODUCCIÓN

El presente informe pretende dar a conocer los resultados obtenidos tras la realización del laboratorio para conocer el funcionamiento de un medidor de calor denominado calorímetro .

El laboratorio que se realizó y del cual es el presente informe, tuvo como principal objetivo determinar la capacidad calórica de un calorímetro adiabático. En este experimento, se medió la cantidad de energía eléctrica convertida en energía térmica mediante una bobina eléctrica calefactora sumergida en agua. Al mismo tiempo, se medió la cantidad de calor absorbido por una masa conocida de agua.

El calorímetro tenía un calor específico mínimo y no absorbería energía térmica. Sus resultados deberían indicar que la energía térmica transferida al agua es igual a la energía eléctrica consumida en la bobina.

OBJETIVO

Determinar la capacidad calórica de un calorímetro adiabático.

Calcular el trabajo eléctrico realizado dentro del calorímetro.

Calcular el valor equivalente eléctrico del calor.

MARCO TEÓRICO

Un dispositivo muy útil para los experimentos de termodinámica es el calorímetro de mezclas, que consiste en un recipiente con una buena aislación térmica y que contiene un líquido (por lo regular agua), un termómetro y otros elementos, como un agitador y un calefactor (resistencia eléctrica). No debemos olvidar que el calorímetro participa como parte integrante en los procesos de transferencia de calor que se realicen en él y por tal motivo es importante caracterizar su comportamiento térmico. Si por algún método suministramos una cantidad de calor Q al sistema.

Ecuación 1 – Formulas para hallar el equivalente eléctrico de calor.

Aquí, cagua es el calor específico del agua, ctermo representa el calor específico del termómetro y cxx el calor específico del recipiente, agitador y demás elementos dentro del calorímetro, estos dos últimos desconocidos en general. Las masas correspondientes son: magua, mtermo y mxx. Para un dado calorímetro, el término entre llaves de (1b) es una constante con dimensión de masa, y puede agruparse en una sola contante Meq, que se designa como el equivalente en agua del calorímetro. Meq tiene un significado físico simple: representa una masa de agua cuya capacidad calorífica es igual a la del conjunto constituido por el termómetro, recipiente, agitador y todos los demás componentes del calorímetro.

La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de la conservación de la energía, enuncia que la energía es indestructible, siempre que desaparece una clase de energía aparece otra (Julius von Mayer). Más específicamente, la primera ley de la termodinámica establece que al variar la energía interna en un sistema cerrado, se produce calor y un trabajo. “La energía no se pierde, sino que se transforma”.

Figura 1 – Primera Ley de la termodinámica.

MATERIALES Y REACTIVOS

Balanza analítica

Cronómetro

Fuente de potencia

Calorímetro

Termopar

Termómetro -10°C a 150°C

Multímetro

Vaso de precipitado de 150 ml

Plancha de calentamiento con agitación.

Resistencia eléctrica

Agua destilada

PROCEDIMIENTO

DATOS Y RESULTADOS

La práctica se realizó de la siguiente manera: 2 grupos trabajaron la determinación del calor específico del calorímetro y los 2 restantes trabajaron la determinación del equivalente eléctrico del calor, los datos obtenidos por los cuatro grupos son los siguientes:

Tabla 1 – Datos obtenidos en el laboratorio por los cuatro grupos.

Determinación del calor especifico del calorímetro

Datos Grupo 1 Grupo 2

Tº de agua fría (K) 293,7 291,5

Tº de agua caliente (K) 372 373,15

Masa agua fría (g) 39,5 39,69

Volumen agua caliente (ml) 40 40

Masa calorímetro (g) 69,49 71,92

Tº de equilibrio (K) Tiempo (min) Tº (K) Tiempo (min) Tº (K)

0 305,6 0 302,6

5 305,4 5 301,9

10 304,8 10 301,1

15 304,2 15 300,6

20 303,7 20 300

25 303,2 25 299,6

57 (aprox)* 300

Determinación del equivalente eléctrico del calor

Datos Grupo 3 Grupo 4

Corriente (A) 0,34 0,7

Voltaje (V) 8 5

Masa agua (g) 80 80

Tº agua fría (K) 291,15 292,45

Masa calorímetro (g) 84 68,74

Tº de equilibrio (K) Tiempo (min) Tº (K) Tiempo (min) Tº (K)

0 291,3 0 292,45

3 291,3 3 292,45

6 291,4 6 293,05

9 291,8 9 293,85

12 292,4 12 294,95

15 293,1 15 296,15

18 294,1 18 297,35

21 294,9 21 298,65

24 295,8 24 299,75

48 (aprox)* 300

Se logra observar que dos de los cuatro grupos presentaron problemas a la hora de dejar en equilibrio las temperaturas. Con los datos obtenidos se hará el cálculo del valor del CP del calorímetro, se hallara el trabajo eléctrico y el calor total, que se representara por una gráfica.

Figura 2 – Carga eléctrica.

Datos obtenidos

Tabla 2 – Datos obtenidos en la práctica grupo 4.

Corriente 0,7 A

Voltaje 5 V

Masa agua 80 ml

Temperatura agua fría 292,45 K

Masa del calorímetro 68,74 g

Densidad del agua (19ºC) 0,99849 g/ml

Temperatura (T1–T3) (292,45 K - 299,75 K)

Cálculos

mcalorimetro*CPcalorimetro*(T3-T1)+maguafria*CPagua*(T3-T1)=magua*CPagua*(T3-T1)

[68,49 g*CP calorimetro(299,75 K-292,45 K)+80 ml*4,1818 J/(g K) (299,75 K-292,45 K)=79,88 g*4,1818 J/(g K)(299,75 K-292,45 K)]

Cpcalorimetro= -0,00732685 J/gK

Ecuación 2 – Determinación del CP del calorímetro.

Welectrico=Voltaje*Corriente*∆t

Ecuación 3 – Determinación del trabajo (W) eléctrico.

Qtotal=Qagua+Qcalorimetro

Qtotal=m calorimetro*CP calorimetro*(ƼT)+m agua*CP agua*(ƼT)

Qtotal= ƼT(mcalorimetro*CPcalorimetro+magua*CPagua)

Ecuación 4 – Determinación del calor (Q) total.

Tabla 3 – Determinación del trabajo eléctrico y el calor total.

Tiempo (s) Δ Tiempo Temperatura (ºC) Δ Temperatura W eléctrico (J) Q total (J)

60 60 292,45 0 210 0

120 292,45

180 60 292,45 0,2 420 66,7035829

240 292,65

300 60 292,75 0,3 630 166,758957

360 293,05

420 60 293,25 0,3 840 200,110749

480 293,55

540 60 293,85 0,4 1050 233,46254

600 294,25

660 60 294,65 0,3 1260 233,46254

720 294,95

780 60 295,35 0,4 1470 233,46254

840 295,75

900 60 296,15 0,4 1680 266,814331

960 296,55

1020 60 296,95 0,4 1890 266,814331

1080 297,35

1140 60 297,75 0,5 2100 300,166123

1200 298,25

1260 60 298,65 0,4 2310 300,166123

1320 299,05

1380 60 299,45 0,3 2520 233,46254

1440 299,75

Gráfica 1–Trabajo (W) eléctrico vs Calor (Q) total.

ANALISIS DE RESULTADOS

En el desarrollo del laboratorio, en su primera parte pudo observarse que dos de los cuatro grupos presentaron problemas a la hora de dejar en equilibrio las temperaturas; dichos inconvenientes pueden explicarse en factores del ambiente del laboratorio o al mal uso del equipo.

En la segunda parte también pudo establecerse que a medida que aumenta el tiempo de exposición a determinadas cargas eléctricas, asimismo aumente la temperatura pero no en la proporción esperada. Sin embargo, llega a un punto en que la temperatura ya no aumenta más, sino que al contrario, empieza a evidenciarse una pérdida de temperatura. Lo anterior se puede evidenciar en el comportamiento de la curva, en la gráfica.

CONCLUSIONES

El desarrollo total de la práctica de laboratorio permitió observar de manera muy notoria la transformación de la energía eléctrica en energía calorífica, esta se pudo evidenciar en la diferencia de temperatura que se registraba en el termómetro al hacer pasar una corriente de 5 (A) por la resistencia.

Vale la pena aclarar que este fenómeno no sucede en todos los materiales por sus diferentes componentes y aleaciones químicas de la cual están hechos los diferentes tipos componentes, y es en las resistencias en donde la transformación se usa para fines prácticos, a la vez que en muchos casos trata de eliminarse esta transformación debido a la cantidad de calor que se genera y que lleva a la pérdida de esta forma energía en un sistema abierto, lo que de por sí la hace una actividad poco confiable, más aún si

...