CONSERVACION DE LA ENERGA

CONSERVACIN DE LA ENERGAI. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Verificar la relacin existente entre el trabajo elctrico mecnico y el calor.

1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS Obtener el equivalente en agua de un calormetro

Determinar la curva de equilibrio del calormetro y verificar la conservacin de la energa.

II. TIEMPO

4 Horas

III. FUNDAMENTO TERICO

Hacia principios del siglo XIX, los cientficos ya se haban dado cuenta que la energa aparece bajo distintas formas, como energa cintica, energa potencial o energa trmica, y saban que puede convertirse de una forma a otra. Como consecuencia de estas observaciones, los cientficos alemanes Hermann von Helmholtz y Julius Robert von Mayer y el fsico britnico James Prescott Joule formularon la ley de conservacin de la energa. Esta ley, que afirma que la suma de las energas cintica, potencial y trmica en un sistema cerrado permanece constante, se conoce en la actualidad como primer principio de la termodinmica. En la mecnica clsica, las leyes fundamentales son las de conservacin del momento lineal y del momento angular. Otra ley de conservacin importante es la ley de conservacin de la carga elctrica.

En 1905, Albert Einstein demostr en su teora de la relatividad especial que la masa y la energa son equivalentes. Como consecuencia, las leyes de conservacin de la masa y de la energa se formularon de modo ms general como ley de conservacin de la energa y masa totales. La ley de conservacin de la masa puede considerarse vlida en las reacciones qumicas (donde los cambios de masa correspondientes a la energa producida o absorbida no son medibles), pero no se cumple en las reacciones nucleares, donde la cantidad de materia que se convierte en energa es mucho mayor.

La existencia de leyes de conservacin est relacionada con simetras de la naturaleza. Esta relacin tambin existe en el mbito de las partculas elementales. As ocurre, por ejemplo, en la conservacin del nmero de bariones en las interacciones de partculas y en la conservacin de la carga elctrica.

Calora antigua unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La calora pequea, o calora-gramo (cal), suele definirse en ciencia e ingeniera como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 C. A veces se especifica otro intervalo de temperaturas. La definicin ms habitual en termoqumica es que 1 calora es igual a 4,1840 julios (J).

En ingeniera se emplea una calora algo diferente, la calora internacional, que equivale a 1/860 vatioshora (4,1868 J). Una calora grande o kilocalora (Cal), muchas veces denominada tambin calora, es igual a 1.000 caloras-gramo, y se emplea en diettica para indicar el valor energtico de los alimentos.

Cuando el calor se convierte en energa mecnica, como en un motor de combustin interna, la ley de conservacin de la energa tambin es vlida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energa en forma de calor porque ningn motor tiene una eficiencia perfecta.a. Calora: Es la cantidad de calor que cede o absorbe un gramo de agua para variar su temperatura en un grado.b. Capacidad calrica: Es la cantidad de calor que permite variar, en un grado, la temperatura de un cuerpo.Expresada en frmula:

donde:

C = Q C = capacidad calrica

(t Q = cantidad de calor

(t = variacin de temperatura

c. Calor especfico: Es la cantidad de calor cedido o absorbido por un gramo de una sustancia, para variar su temperatura en un grado Celsius. Su unidad es: cal gC donde:

c = C c = calor especfico

m C = capacidad calrica

m = masa

Calormetros, su historia y desarrollos

Un calormetro es un instrumento, sencillo o complejo, que nos permite medir el cambio en la energa que sufre un sistema despus de operar en este un proceso, que puede ser fsico, qumico o biolgico. Si nos detenemos a estudiar el avance de la termodinmica, nos daremos cuenta de que una herramienta importante a travs de la historia

El primer calormetro utilizado, con el propsito especfico de media calor, fue desarrollado en 1783 por Lavoisier y Laplace, quienes midieron el cambio en el calor de un cuerpo caliente, capaz de derretir una cierta cantidad de hielo; se esperaba entonces hasta que el cuerpo caliente estuviera a la temperatura del hielo, y despus se determinaba la masa del hielo derretido.

En ese mismo ao, 1783, Antoine L. Lavoisier, qumico, y Pierre L. Laplace, matemtico y fsico, sacaron a la luz pblica una declaracin de las dos teoras rivales del calor en un artculo publicado en comn. stas eran las dos teoras por las cuales se enfrentaban tanto fsicos como qumicos del siglo XVIII. Para los fsicos, el calor era el viva del vis (movimiento del vivir), mientras que para los qumicos era un fluido material sutil, a menudo llamado calrico. La publicacin precis que hay varias consecuencias comunes a ambas teoras; la ms importante de stas es: la cantidad total de calor es constante en una mezcla simple.

Como lo podemos apreciar en los prrafos anteriores, la evolucin y la medida del calor han inquietado desde hace mucho tiempo a la comunidad dedicada a la observacin y al estudio de los fenmenos naturales; y hacemos nfasis en el aporte de Lavoisier a la calorimetra por que es uno de los cientficos ms representativos del siglo XVIII y que contribuy en varios aspectos al avance de la qumica.

La construccin de calormetros ha ayudado a entender la ciencia de la energa y sus transformaciones, incluso un experimento simple en el cual puede deducirse el cambio de calor que ocurre, y que implica el conocimiento y utilidad de conceptos como capacidad calorfica, entalpa del proceso, entalpa de reaccin, potencia trmica, etctera. Esto nos ha llevado, desde hace mu-

cho tiempo, a la construccin de gran variedad de equipos cada vez ms complejos y que permiten medir cantidades de calor pequeas, o que se genera en perodos prolongados.

En la actualidad disponemos de calormetros comerciales y marcas especializadas en la construccin y calibracin de este tipo de equipos; pero an as sigue investigndose en instrumentacin calorimtrica, que permite el estudio adecuado de sistemas y procesos muy especficos.

Parmetro denominado equivalente en egua del calormetro. Mequi:

Cagua = Calor especifico del agua

Ctermo= calor especifico del termmetro

Todos los trminos se queden agrupar en una sola constante Mequi, que se designa como el equivalente en agua del calormetro.Otro metodo es por mezcla de dos volumen de agua distinta, por la ley de conservacin de energa:

El prinmcipio de este experiemnto es suministrar energa elctrica a un calefactor sumergido en el agua dentro de un calormetro y medir el valor desarrollado. Como calefactor se puede usar una lamparita.

Cuando el calefactor circula una corriente elctrica I y se desarrolla el el una diferencia de potencial V, la potencia P que disipa el calefactor por el efecto Joule esta dada por:

P=V*I

Dividiendo :

Donde Je representa la cantidad de joules requeridos para producir una calora.IV. CALORMETRO

V. EQUIPO Y MATERIALES

Un calormetro

Un multitester

Una fuente de tensin

Un termmetro de mercurio

Un deposito para medir agua

Un calefactor de inmersion

VI. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALPARTE I: Determinacin experimental del equivalente en agua del calormetro:

Pesar las masas de agua m1 y m2.

Medir la Tamb.

Verificar las temperaturas de las masas m1 y m2. Procurando 5 menos y 5 mas que la ambiental.

Mezclar ambas masas.

Determinar la temperatura de estabilizacin del sistema Tf, determinar la Masa equivalente del calormetro.

PARTE II: Determinacin del equivalente elctrico del calor:

Medir una masa m de agua a una temperatura 5 menor a la ambiental agregar al calormetro. Cerrar el calormetro.

Verificar el valor de la tensin y la intensidad de corriente .

Iniciar la toma del tiempo.

Verificar Temperatura en el calormetro y tiempo en la cual el sistema alcanza el equilibrio.

Determinar el equivalente elctrico del calor, luego de comprobar de que el sistema alcanza una temperatura de equilibrio.Datos:PARTE 01

T120 C

m1300 gr

T231 C

m2300 gr

Tamb26 C

Tf25 C

Mequi 360 gr

PARTE 02

N I (amp)V (Volt)t (min)T (ohmios)T (C)

11.8511.39013.8

21.8411.40513.4

31.82511.341013.3

41.82611.331512.4

51.82811.332012.4

61.81811.292511.8

71.82411.373011.1

81.81811.273510.6

91.81911.264010.2

101.82711.25459.9

111.81911.24509.8

Clculos

Tiempo de 2 min

Tiempo de 10 min

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Tiempo de 18 min

Tiempo de 26 min

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 Tiempo de 34 min

Tiempo de 42 min

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 Tiempo de 50 min

Tiempo de 58 min

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 Tiempo de 66 min

Tiempo de 74 min

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 Tiempo de 82 min

Tabla resumen:

N I

(amp)V

(Volt)t (s)T

(ohmios)T

(C)CaguaQ

(cal)Welect

(J)Welectr/Q

10.88411.52137.817.0812562.751219.920.4760199

20.8811.510129.218.6113523.7860721.723148961

30.88211.518120.820.2514553.910954.442.405504066

40.84811.526113.822.4615942.0615213.122.56024234

50.88611.534100.326.3118360.3420785.562.486208776

60.88911.542103.225.6117920.6525763.223.252662303

70.88811.55097.127.0718837.71306363.466505426

80.88811.55892.828.0919478.40635537.763.749339189

90.88711.566892911005040393.984.019301493

100.88111.57486.129.69110483.40644983.864.08

110.8811.58280.631.2111431.8749790.44.15

Promedio

0.881211.5104.6090925.0317558.6278425577.32.98

Desviacin estndar

0.0115018.5257364.74302978.911916202.480.191346409

VII. DATOS POR CONSIGNAR

PARTE 01

T113 C

m1300 gr

T223.5 C

m2300 gr

Tamb18 C

Tf22.6 C

Mequi28.125 gr

PARTE 02

N I (amp)V (Volt)t (s)T (ohmios)T (C)

10.88412.52137.817.08

20.881110129.218.61

30.8821118120.820.25

40.8481126113.822.46

50.8861134100.326.31

60.8891142103.225.61

70.888115097.127.07

80.888115892.828.09

90.88711668929

100.881117486.129.69

110.88118280.630.6

PARTE 02

N I (amp)V (Volt)t (s)T (ohmios)T (C)

10.88412.52137.817.08

20.881110129.218.61

30.8821118120.820.25

40.8481126113.822.46

50.8861134100.326.31

60.8891142103.225.61

70.888115097.127.07

80.888115892.828.09

90.88711668929

100.881117486.129.69

110.88118280.630.6

VIII. CUESTIONARIO

1. Indique el valor del equivalente en agua de su calormetro

La masa equivalente es Meq = 28.18 gr.

2. Llenar el siguiente cuadro:

3. Determinar cual es el equivalente elctrico del calor promedios de las actividades realizadas.

N Welectr/Q

10.4760199

21.723148961

32.405504066

42.56024234

52.486208776

63.252662303

73.466505426

83.749339189

94.019301493

104.08

114.15

Promedio

2.98

Desviacin estndar

0.191346409

4. Defina el efecto joule:

Si en un conductor circula electricidad parte de la energa cintica de los electrones se trasforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las molculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo este efecto se le conoce como EFECTO JOULE.

Las cargas elctricas que atraviesan una resistencia entran con una energa qV1 mayor que con la que salen qV2. La diferencia de energa es:U = qV = q (V2 - V1) = q I Rla rapidez con la que las cargas pierden la energa es la potencia disipada en la resistencia:

este resultado se conoce como Ley de Joule y expresa la prdida de energa que las cargas experimentan en las colisiones atmicas que se producen en la resistencia. La energa se disipa en forma de calor (efecto Joule).5. Que diferencia hay entre equivalente mecnico del calor equivalente elctrico de calor?

En que el equivalente mecnico es aquel encontrado a partir del giro de unas paletas dentro del calormetro y es producido por la fraccin de las paletas con el agua. Joule utilizando una rueda con paletas conectadas a un conjunto de poleas con pesos en los extremos puede mostrar una relacin precisa entre la energa mecnica de los pesos en las poleas y el aumento de la temperatura del agua en el recipiente debido a la rotacin de las paletas 1 cal = 4186 J.

En cambio el equivalente mecnico elctrico es hallado mediante la resistencia por el cual pasa la electricidad la cual genera calor debido a la resistencia que tienen algunos materiales al paso de la electricidad.

6. Representa grficamente el DT medido para cada intervalo texp, la pendiente de la recta que se obtendra seria:

Pendiente (Tvst) = Pelectr. Cagua (Magua + Mequiv)

7. Determine esta pendiente (del grafico) y conociendo Magua y Cagua es posible determinar Mequiv usando este valor, grafique Welectr. (Joule) versus DT. De estos grficos obtenga el equivalente elctrico de calor Je.

8. De que manera se alteraran los parmetros de la experimentacin sise hubiese enfriado o calentado caf o agua con tinta negra? Sustentar racionalmente su respuesta

No debera existir error significativo pero debe observarse si estos agentes causan alguna variacin significativa en el calor especifico del compuestota que se observara que en las formulas el que juega un papel predomnate es el valor del calor especifico ya que el otro variara solo la temperatura y la Tequiv. El cual tambin depende del calor especfico.

9. Cuales son los errores que se presento en la experiencia y que recomienda para mejorarlo?

Los errores fueron a que a comienzos del experimento se utilizo un multitester que tenia fallas por lo que arrojo datos en la cual no corresponda.

El calormetro presentaba una fuga de calor por la cual escapaba el calor por lo cual no estaba bien sellado

10. Que es un calormetro de flujo continuo?

Es aquel que se encarga la medida de energa a travs del calor de un fluido que fluye a travs de la carga por la subida de las temperaturas del fluido.

11. Detallar un procedimiento experimental para determinar el calor especifico de los slidos a travs del mtodo de mezclas

Utilizando una masa de 300 g de agua para que cubra y conectando el calefactor durante 60 s. Utilizando el procedimiento grafico utilizado anteriormente determinaremos T1a ,T2a y t.

Q = ((m + mc)+Ca Ma)(T2a-T1a)

Donde conocida la relacin entre la energa elctrica suministrada y el calor obtenida Q = 0.24 (cal J)V2t/R la nica incgnita es el calor especifica del Ca. Estimar el error contenido en esta medida. comparar el resultado con el valor correspondiente al aluminio puro(0.215cal/g K).

12. Definir que establece la ley de Dolung Petit para el calor especfico

Esta ley fue formulada por los quimicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Therese Petit , para la mayoria de los elementos solidos, el producto de su calor especifico por su masa atomica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta mas calorias para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energia suministrada se consume en el trabajo de expansin. Por eso el calor especfico a presin constante es mayor que el calor especifico a volumen constante

IX. BIBLIOGRAFA

Fisca tomo I

Serway Semansky1 EDICION

Fisica para ciencias e ingenieria

Mc Kelvy - Grotch

EMBED Excel.Chart.8 \s

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_377312593.unknown

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_377313655.unknown

_377324888.unknown

_377324890.unknown

_377314172.xlsGrfico1

2

10

18

26

34

42

50

58

66

74

82

Variacion de temperatura

texp

Variacion temperatura vs t exp

Grfico2

2562.75

3523.78125

4553.90625

5942.0625

8360.34375

7920.65625

8837.71875

9478.40625

10050

10483.40625

11055

Welectrico

Q (cal)

Grafica 02 Welectrico vs Q

Grfico3

4.08

5.61

7.25

9.46

13.31

12.61

14.07

15.09

16

16.69

17.6

Welectrico (J)

Q (cal)

Grafica 03 Welectrico vs Variacion de temperatura

Hoja1

PARTE 02PARTE 01

N I (amp)V (Volt)t (s)T (ohmios)T (C)CaguaQ (cal)Welect (J)Welectr/QtT113

10.884112137.817.0812562.751166.880.45532338314.08m1300

20.881110129.218.6113523.7812558081.6482294415.61T223.5Mequi28.125

30.8821118120.820.2514553.9062510478.162.30091693267.25m2300

40.8481126113.822.4615942.062514551.682.44892745579.46Tamb18

50.8861134100.326.3118360.3437519881.842.378112742113.31Tf22.6

60.8891142103.225.6117920.6562524643.083.111242202912.61

70.888115097.127.0718837.71875293043.315787798714.07

80.888115892.828.0919478.4062533992.643.586324441415.09

90.8871166892911005038637.723.844549253716

100.881117486.129.69110483.4062543028.044.104394981416.69

110.88118280.630.611105547625.64.1517.6

Hoja2

Hoja3

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_377298861.xlsGrfico1

2

10

18

26

34

42

50

58

66

74

82

Variacion de temperatura

texp

Variacion temperatura vs t exp

Grfico2

2562.75

3523.78125

4553.90625

5942.0625

8360.34375

7920.65625

8837.71875

9478.40625

10050

10483.40625

11055

Welectrico

Q (cal)

Grafica 02 Welectrico vs Q

Grfico3

4.08

5.61

7.25

9.46

13.31

12.61

14.07

15.09

16

16.69

17.6

Welectrico (J)

Q (cal)

Grafica 03 Welectrico vs Variacion de temperatura

Hoja1

PARTE 02PARTE 01

N I (amp)V (Volt)t (s)T (ohmios)T (C)CaguaQ (cal)Welect (J)Welectr/QtT113

10.884112137.817.0812562.751166.880.45532338314.08m1300

20.881110129.218.6113523.7812558081.6482294415.61T223.5Mequi28.125

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70.888115097.127.0718837.71875293043.315787798714.07

80.888115892.828.0919478.4062533992.643.586324441415.09

90.8871166892911005038637.723.844549253716

100.881117486.129.69110483.4062543028.044.104394981416.69

110.88118280.630.611105547625.64.1517.6

Hoja2

Hoja3

_377298486.xlsGrfico1

2

10

18

26

34

42

50

58

66

74

82

Variacion de temperatura

texp

Variacion temperatura vs t exp

Grfico2

2562.75

3523.78125

4553.90625

5942.0625

8360.34375

7920.65625

8837.71875

9478.40625

10050

10483.40625

11055

Welectrico

Q (cal)

Grafica 02 Welectrico vs Q

Grfico3

4.08

5.61

7.25

9.46

13.31

12.61

14.07

15.09

16

16.69

17.6

Welectrico (J)

Q (cal)

Grafica 03 Welectrico vs Variacion de temperatura

Hoja1

PARTE 02PARTE 01

N I (amp)V (Volt)t (s)T (ohmios)T (C)CaguaQ (cal)Welect (J)Welectr/QtT113

10.884112137.817.0812562.751166.880.45532338314.08m1300

20.881110129.218.6113523.7812558081.6482294415.61T223.5Mequi28.125

30.8821118120.820.2514553.9062510478.162.30091693267.25m2300

40.8481126113.822.4615942.062514551.682.44892745579.46Tamb18

50.8861134100.326.3118360.3437519881.842.378112742113.31Tf22.6

60.8891142103.225.6117920.6562524643.083.111242202912.61

70.888115097.127.0718837.71875293043.315787798714.07

80.888115892.828.0919478.4062533992.643.586324441415.09

90.8871166892911005038637.723.844549253716

100.881117486.129.69110483.4062543028.044.104394981416.69

110.88118280.630.611105547625.64.1517.6

Hoja2

Hoja3