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EFECTO JOULE Julin D. Bravo 1210013, Juan M. Chagendo 1210090, Sergio Garca 1210032.

Departamento de Fsica, Universidad del Valle 11 abril de 2013

Resumen

En el presente informe presenta el estudio experimental de los procesos de transferencia de energa entre un circuito y el medio ambiente, por medio de diversos equipos de medicin y la determinacin del equivalente elctrico del calor. Se obtuvo un valor experimental del equivalente elctrico de (5,6120,312) J/cal.

1. INTRODUCCIN En la prctica se plantean como objetivos bsicos conocer por qu y cmo se realiza la transferencia de calor de una sustancia cuando esta se ve sometida a una corriente elctrica y a partir de los datos obtenidos hallar un valor aproximado de la relacin que existe entre una calora con unidad de trabajo (Joule); Lo anterior se da como motivacin al querer verificar la teora que nos informa que en la transferencia de calor se realiza un trabajo.

Se suele hablar de un flujo de transferencia de calor de A hacia B mientras existan cambios de temperatura. El proceso de una transferencia de calor se pens en un principio que era el flujo de un fluido invisible e imponderable llamado calrico, el cual se produca cuando se quemaba una sustancia y poda fluir desde una regin rica en caloras (temperatura elevada) a una regin de menores caloras (temperatura ms baja). Gracias a la habilidad experimental y a la intuicin fsica de Rumford y de James Presscott Joule surgi lentamente la idea de que el flujo de calor es una transferencia de energa. Cuando tiene lugar una transferencia de energa en virtud exclusivamente de una diferencia de temperatura, se denomina flujo de calor. Toda resistencia elctrica libera calor cuando una corriente elctrica circula a travs de ella. Esta conversin de energa elctrica en calor es conocida como Efecto Joule [1]. El calor liberado por la resistencia es absorbido por el medio que la rodea. La ley de Joule establece que la potencia con que se disipa energa elctrica

en forma de calor en el resistor est dado por:

[1]

Siendo V la cada de potencia en la resistencia e I la corriente que circula. La energa elctrica cedida por durante un tiempo t es:

[2]

El valor de calrico ganado por el sistema agua ms calormetro puede determinarse mediante la expresin:

[3]

Donde y , corresponden al calor especifico del agua y del calormetro, representa el incremento de temperatura. Aplicando el principio de conservacin de la energa se tiene entonces:

[4]

Si multiplicamos por el producto de VI y se divide por el factor nos da el inverso de la constante J en Joules/calora [2]:

!" #$ [5]

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se cont con los siguientes materiales, para realizar el proceso de experimentacin:

Calormetro con resistencia elctrica. Fuente de poder DC 0-20 V, 0-20

2

Cables de conexin Termmetro Cronometro Ampermetro Voltmetro Balanza

Figura 1: Instrumentos y materiales del experimento

Figura 2: Montaje Experimental

Primero procedimos pesando las masas del calormetro y calormetro con agua, a continuacin realizamos el montaje experimental tal como lo indica la gua del laboratorio. Se mide la temperatura ambiente del agua (aproximadamente 25C) y procedemos a introducir la resistencia dentro del agua y cerramos el circuito.

A partir de este momento, registramos la temperatura en el agua, el voltaje, la corriente en el circuito y el tiempo por cada grado que iba aumentando el agua contenida en el calormetro. Tomamos datos iniciando con el termmetro en 27C, hasta llegar a 37C.

Figura 3: Montaje experimental del circuito

3. RESULTADOS Tabla 1. Datos experimentales %&'( 46,55 - 0,011 %'23' 125,35 - 0,011 67 27 - 0,1

V 2,58 - 0,01 I 1,49 - 0,01< 6=>?

27,0 - 0,1 0@

28,0 - 0,1 60,0 - 0,1@

29,0 - 0,1 207,0 - 0,1@

30,0 - 0,1 387,0 - 0,1@

31,0 - 0,1 562,2 - 0,1@

32,0 - 0,1 738,6 - 0,1@

33,0 - 0,1 982,2 - 0,1@

34,0 - 0,1 1206,6 - 0,1@

35,0 - 0,1 1404,6 - 0,1@

36,0 - 0,1 1627,2 - 0,1@

37,0 - 0,1 1890,2 - 0,1@

Se graficaron y linealizaron los datos de Temperatura vs tiempo (T vs t), de acuerdo a la ecuacin [4]:

Figura 4. Grafica Temperatura vs tiempo

Se realizaron los clculos necesarios para encontrar ABCD de acuerdo a la ecuacin [4]:

3

Tabla 2. Datos calculados EF 136,99 - 1,72GHI/ KL 3,84 - 0,04A/@ MNOPQROPSO 0,0051 - 0,0002/@ TU 0,9885 VOWN 5,612 - 0,312A/GHI

Tabla 3. Comparacin valores terico y experimentales del equivalente elctrico del calor A. X VOWN VOWN/X Y% 4,182J/cal 5,612 - 0,312A/GHI 0,07 34,1%

4. DISCUSION DE RESULTADOS De manera clara es posible deducir que se demuestra que cuando una resistencia disipa energa, sta se convierte en energa calrico. Esto nos conlleva a afirmar tambin que el calor es la energa transferida entre dos sistemas y que est exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura existente entre ellas. La temperatura del agua aumenta si la temperatura de la resistencia tambin aumenta. Con ello, a medida que transcurre y de terminado tiempo es posible determinar una temperatura diferente. a medida que aumente la energa en el sistema aumentar tambin la temperatura. La reaccin es lineal y su pendiente siempre ser positiva, ya que est dado por unidades de masa. Por tanto mc representa la energa necesaria para aumentar la temperatura del sistema en un grado centgrado (C). El equivalente elctrico del calor esperado, no corresponde al valor obtenido durante la prctica. Esto se puede atribuir a los errores cometidos al momento de registrar las temperaturas en funcin del tiempo. De igual forma, la estructura y el montaje del experimento no fue tan exacto de lo esperado, el termmetro con el que se meda la temperatura del agua no es un instrumento muy preciso para leer las temperaturas medidas. Adems de ello, el montaje experimental no permita tener precisin al momento de introducir el termmetro y no tocar la resistencia.

5. CONCLUSIONES

La potencia disipada por la resistencia se transform en calor. De esta manera se puede decir que el calor es una forma de energa; lo cual se demostr mediante la transformacin de ecuaciones transcendentales. La relacin entre la resistencia y la temperatura es directamente proporcional, ya que, a mayor resistencia se disipa mayor corriente y produce mayor movimiento en los alrededores. La capacidad calorfica encontrada permite calcular cuanta energa se le debe agregar a un g de agua (en J) para aumentar su temperatura 1 C.

6. BIBLIOGRAFIA [1] Fisica Tomo II, R.A. Serway, cap.

28, 3ra edicin. Editorial McGraw Hill.

[2] Gmez M. E. Guas de Practicas Laboratorio Electromagnetismo, Universidad del Valle Departamento de fsica. Febrero 2009.

7. ANEXOS

Tabla 4. Datos tericos Masa resistencia 921 0,25GHI/1 1GHI/1 _ 0,00924GHI/1

INCERTIDUMBRES

Ecuacin para determinar la incertidumbre de MC, determinada a partir de la ec.[3].

Ecuacin para determinar la incertidumbre de la potencia con que se disipa energa elctrica, determinada a partir de la ec.[1]:

Ecuacin para determinar la incertidumbre del equivalente elctrico del calor, determinada a partir de ec.[5]: ABCD ` abca `

1ac d

abe