Prctica 5. Equivalente Elctrico del Calor.OBJETIVO.El alumno aprender el proceso de transformacin de energa elctrica a energa calorfica que ocurre en cualquier elemento resistivo de un circuito elctrico. Obtener la relacin que existe entre la unidad de energa elctrica (Joule) y la unidad usual de energa calorfica (calora).

INTRODUCCIN TERICA.Nuestro Universo se encuentra formado de masa y energa, las cuales estn en constante movimiento y transformacin, por lo que no es de sorprenderse que frecuentemente nos encontremos con fenmenos de transformaciones energticas y cuyos ejemplos son muy variados. sta prctica se enfoca en la transformacin existente para obtener energa calorfica a travs de energa elctrica. De cursos pasados de fsica nosotros sabemos que la potencia (P) es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Anlogamente se tiene que en general l potencia puede considerarse como la energa consumida por unidad de tiempo. En un circuito sencillo tenemos que existe una corriente elctrica i , as como una d.d.p. entre los puntos a y b de una resistencia (Vba). Una carga elctrica q que se mueve a travs de la resistencia establece, un cambio en la energa potencial elctrica en el circuito, el cual puede ser dado por la expresin: Sustituyendo en (2) se tiene: Que se conoce como potencia elctrica definida como el trabajo realizado por las fuerzas de origen elctrico por unidad de tiempo. Trabajando matemticamente la ecuacin (4) conociendo que Vba es el d.d.p. en una resistencia hmica y adems que en un circuito es mucho ms fcil medir el d.d.p. de la resistencia que la corriente elctrica, tenemos que:

En el caso de una resistencia en condiciones de ceder al medio que le rodea la energa que recibe con la misma rapidez con la que llega, la energa suministrada a la resistencia se convierte en calor que hace que el medio que la rodea aumente su temperatura. Si Q es la cantidad de calor disipado en un tiempo t. La ecuacin (8) se convierte entonces en: La cual expresa la relacin cuantitativa entre las cantidades de calor y energa elctrica, dicha relacin fue descubierta experimentalmente por J.P. Joule en el transcurso de sus medidas del equivalente mecnico del calor. Para nuestra prctica es conveniente conocer dos conceptos, los cuales son: Capacidad calorfica (Cc) Y Calor especfico (C). Definiendo a la capacidad calorfica como la cantidad de calor que hay que proporcionar a una sustancia de masa m para que experimente un aumento de temperatura de 1C. Si se divide a Cc entre la masa se obtiene al calor especfico de la sustancia, es decir: la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa para que sta aumente su temperatura en 1C.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.Cada equipo utilizar: a) b) c) d) 1 Variac. 1 Multmetro. 1 Calormetro con termmetro. 1 Resistencia.

METODOLOGA.1. Con ayuda del multmetro ajustamos el Variac a un voltaje entre 20 25 V, el cual deber permanecer constante durante toda la experiencia. 2. Nuevamente con ayuda del multmetro, medimos la resistencia del calormetro. 3. Aadimos 250g aproximadamente de agua al calormetro, dejamos que nuestro sistema establezca un equilibrio trmico y anotamos la temperatura inicial a la que comenzamos el experimento. 4. Conectamos la resistencia al Variac y dejamos que el circuito trabaje durante 5min. 5. Al paso de los 5 min desconectamos la resistencia y esperamos a que se establezca la temperatura del termmetro el cual indica un nuevo equilibrio trmico. 6. Repita la experiencia 3 veces, cambiando el agua por agua fra en cada experiencia.

DATOS EXPERIMENTALES Y ANALISIS DE DATOS.Las cantidades directamente medidas en el transcurso de esta prctica fueron: EXPERIENCIA 1 2 3 VOLTAJE (V) 23 23 23 RESISTENCIA ( ) 28 28 28 TEMPERATURA INICIAL (C) 21 21 21 TEMPERATURA FINAL (C) 27.6 25.8 27.8 TIEMPO TRANSCURRIDO (s) 420 300 420

Cantidades medidas indirectamente: a) Masa del agua; m= 250g (A travs de una probeta graduada 250ml y se realiza una equivalencia 1mL= 1g). b) Calor especfico del agua; C= 1cal/g C (Consultado en tablas). c) Capacidad calorfica del calormetro; W=17 cal/C (Anotado en la tapa del calormetro). Cantidades calculadas: EXPERIENCIA 1 2 3 T (C) 6.6 4.8 6.8 Qw = W T (caloras) 112.2 81.6 115.6 QH20 = Cm T (caloras) 1650 1200 1700 ENERGA DISIPADA U (Joules) 7935 5667.86 7935

QT (caloras) 1762.2 1281.6 1815.6

La relacin cuantitativa entre energa elctrica (en Joules) suministrada a la resistencia y la cantidad de energa calorfica disipada en la misma (en caloras) y absorbida por el agua. Se obtienen suponiendo que no hay prdidas de energa, lo cual implica que ambos sean iguales. Sin embargo debido a que las unidades en las que se miden son distintas, la igualdad solo puede establecerse mediante el factor de conversin J.A ste se le llama: equivalente elctrico del calor, y se obtiene con la siguiente relacin:

EXPERIENCIA 1 2 3

U 7935 5667.86 7935

Q 1762.2 1281.6 1815.6 VALOR PROMEDIO

J 4.50 4.42 4.37 4.43

El equivalente elctrico del calor tiene experimentalmente la relacin que 1 Joule = 4.18caloras, y nuestros datos experimentales dicen que 1 Joule = 4.43caloras, nuestro dato es posible que haya cambiado debido a la pureza del agua, la capacidad calorfica de nuestro calormetro, la homogeneidad en la que se distribuy el calor en el agua, entro otros factores.

CUESTIONARIO.1. Explique cmo se podra suministrar al sistema la misma cantidad de energa en la mitad de tiempo. Se puede realizar esto al incrementar la potencia elctrica, de la ecuacin (9) y (10) podemos ver que esto se puede lograr ya sea aumentado el voltaje o reduciendo la resistencia. 2. Diga que hara usted para duplicar la energa suministrada al sistema sin modificar la rapidez de suministro de la misma. La rapidez de suministro est dada en la ecuacin (10) como la razn de cambio de la energa en funcin al tiempo, si nosotros deseamos duplicar la energa suministrada debemos duplicar el tiempo en el que se suministra la misma. 3. Explique cmo est involucrado en ste experimento el principio de conservacin de la energa. El principio est ntimamente ligado en la relacin existente entre la potencia elctrica y la cantidad de calor convertido a partir de la energa elctrica, pues una resistencia convierte toda la energa elctrica que retiene en energa calorfica, haciendo que la energa no se destruya sino nicamente se transforme. 4. Explique el significado de kilowatt-hora. Equivale a la energa desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora. 5. La compaa de luz cobra a los usuarios por kilowatt-hora consumido, en un recibo consulte el costo anual de dicha unidad. Usando este dato calcule el costo de la energa elctrica utilizada en una determinacin de J. $/kWh = 3.240, sabemos que un watt es igual a un Joule por segundo, entonces:

6. Si en lugar de agua hubiera usado aceite en el experimento Qu pasara con la energa consumida y el costo? EXPLIQUE. La cantidad de energa consumida y el costo permanecen constante, pues sta depende de la resistencia y no de la sustancia usada, el parmetro en que se veramos una variacin seria en la T en el aceite y el calormetro.

CONCLUSIONES. y A travs del desarrollo de la prctica se puede observar claramente la transformacin de

energa elctrica en energa calorfica, observado en la diferencia de temperatura registrada en el termmetro al hacer pasar una corriente por la resistencia. Es necesario aclarar que ste fenmeno no sucede en todos los materiales, y es en las resistencias donde esta transformacin es ms usada para fines prcticos, a la vez que en muchos casos se trata de eliminar esta transformacin debido a la cantidad de calor que se genera perdiendo de esta forma energa en un sistema abierto. La relacin obtenida en nuestro experimento fue de 1 Joules = 4.43 caloras, valor con un margen de error de 5% comparado con el de 4.18 caloras que es ser nuestro ideal, sin embargo como ya se ha mencionada esta desviacin puede ser debido a factores y variables no consideradas las cuales pueden ser fugas de energa.

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