Bermeo1992

UNIVERSIDAD DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO DE FISICA II EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR 1. OBJETIVO Determinación del equivalente mecánico del calor y uso del calorímetro para medir el calor producido por disipación de energía eléctrica en una resistencia, utilizando la ley de Joule. 2. ELEMENTOS TEÓRICOS Al poner en presencia dos cuerpos de distinta temperatura, el que la posee máselevada cede al que la tiene más baja una energía a la cual se le da nombre de energía calorífica o, simplemente, calor. El calor es una forma de energía, así como lo son la energía mecánica o la energía eléctrica, en consecuencia su unidad de medida, convencionalmente aceptada, es el Joule. Sin embargo, en muchas aplicaciones resulta útil el uso de la caloría que es definida como la cantidad decalor que se necesita para elevar 1°C la temperatura de 1 gr. de agua. El factor J que permite pasar de caloría a Joule es el equivalente mecánico de caloría y representa el número de joules correspondientes a 1 caloría, es decir:

1(caloria )  J ( joules )
3. MÉTODO EXPERIMENTAL El método más simple para medir el equivalente mecánico de la caloría, consiste en calentar el agua contenida en uncalorímetro por medio de la energía eléctrica disipada por una resistencia (figura 1).

Figura (1) Si V es la diferencia de potencial aplicada, e I la corriente que atraviesa la resistencia R, la potencia disipada es:

V2 P  RI   VI R
2

(Ley de Joule)

y la energía cedida durante un tiempo t es:
E  Pt  VIt

la cual se convierte en calor. Sea Q el número de calorías obtenidas, larazón de esas dos energías medidas en unidades diferentes nos da:

J

VIt E  ( Joules / caloria ) Q Q

Utilizando el montaje de la figura (1), se puede determinar la energía eléctrica cedida en forma de calor en la resistencia R durante un tiempo t (medido con un cronómetro). Dicho calor lo reciben una masa de agua, el vaso calorimétrico y el termómetro dentro de un calorímetro, y seráigual a:
Q  MCT

donde M es la masa de cada cuerpo, C es su calor específico y ∆T es la elevación de temperatura durante el intervalo de tiempo t o sea:

Q  M a Ca T f  Ti   K T f  Ti 
de donde Ma y Ca son la masa y el calor específico del agua respectivamente, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura al tiempo t Siendo, C a  1
cal tenemos que: gr. C
Q  (M a  K )(T f Ti )

la constante K es una característica del calorímetro llamada equivalente en agua, Tendremos entonces que:

J

VIt MCT

Determinación del equivalente en agua. La determinación de K se hace introduciendo en el calorímetro antes una cantidad de agua m1 a la temperatura ambiente T1 y luego una cantidad de agua m2 calentada a la temperatura T2. Cuando el sistema alcanza la temperatura deequilibrio T3 el calor perdido por el agua caliente es igual al calor ganado por el agua fría y por el calorímetro, o sea:

m2 T2  T3   m1  K T3  T1 

Corrección de enfriamiento. La ecuación: Q  MCT , nos permite calcular Q midiendo la temperatura Tf que se alcanza después de un tiempo t .Sin embargo una pequeña parte ∆Qc , del calor producido se pierde a través de las paredesdel calorímetro con el resultado de que la temperatura Tf medida es algo menor que el valor T´f que se obtendría en ausencia de pérdidas, o sea:

Q  M a  K T f'  T f



Si la prueba, como en este caso, tiene gran duración, ∆Qc no se puede despreciar y para el cálculo de Q es preciso encontrar el valor de T´f. Para hacer esto observaremos cómo varía la temperatura en el calorímetrodurante el tiempo t en que pasa corriente en la resistencia y después cuando se abre el circuito eléctrico (Figura. 2). En todo el tiempo de calentamiento la temperatura sube linealmente a medida que la resistencia eléctrica disipa energía, y al abrir el circuito empieza un lento enfriamiento debido a las pérdidas del calorímetro. Después de un tiempo t/2 de enfriamiento la temperatura es Tr y el...