Determinación del equivalente eléctrico del calor

Determinación del equivalente eléctrico del calor
Julieta Romani, Paula Quiroga, María G. Larreguy y María Paz Frigerio
julietaromani@hotmail.com, comquir@ciudad.com.ar, merigl@yahoo.com.ar, mapaz@vlb.com.ar

Laboratorio de Física III – 2002 Facultad de Ingeniería, Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Favaloro Buenos Aires, Argentina

Mediante este experimento logramos determinar elvalor del equivalente eléctrico del calor. Transformamos la energía eléctrica de una resistencia en energía calórica, sumergiéndola en agua dentro de un calorímetro. A partir del calor que recibe el agua en calorías y la energía que proporciona la resistencia eléctrica en joules podemos conocer el equivalente eléctrico del calor.

Introducción Por definición, la caloría es la cantidad de energíatérmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius desde 14.5 ºC. Los experimentos de Joule demostraron que no sólo la energía térmica permite elevar la temperatura, sino que también cualquier otra forma de energía suministrada a un sistema puede realizar el mismo efecto. Con estos experimentos Joule obtuvo el equivalente mecánico del calor, Je, es decir el número deJoules necesarios para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de agua, mediante la utilización de trabajo mecánico. En este trabajo medimos este equivalente utilizando la transformación de energía eléctrica en térmica. Si introducimos en un recipiente con agua a cierta temperatura, una resistencia eléctrica o una lamparita, y aplicamos una diferencia de potencial V entre sus bornes,observamos el paso de una intensidad de corriente I. La potencia consumida en la resistencia de la lamparita es:
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(1)

La energía eléctrica W generada al cabo de un tiempo t, es:
¥

=
¦

(2)

Esta energía se transforma en calor. La cantidad de calor generado en el tiempo t se invierte en elevar no sólo la temperatura del agua sino también la de las paredes del recipiente yotros elementos del calorímetro. Otra parte del calor es emitido por radiación al exterior. Si la temperatura inicial es T1 y la final T2, entonces:

donde C0 es el calor específico del agua (a cal/g K), m la masa en gramos del agua y k el llamado equivalente en agua del calorímetro(1), masa de agua capaz de absorber igual cantidad de calor que el calorímetro para la misma elevación detemperatura. No consideramos la emisión de calor por radiación. Más adelante comprobamos que podemos dejarla de lado ya que no es significativa. El equivalente, Je, del calor, es:
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y su expresión se obtiene dividiendo la ecuación (2) por la (3).

Experimento En primer lugar, buscamos el valor del equivalente en agua del calorímetro, k. En el apéndice de este trabajo se encuentran lasecuaciones necesarias para su cálculo. Utilizamos una balanza para pesar el agua que agregábamos al calorímetro. Mezclamos distintas cantidades de agua fría y caliente repetidas veces dentro del calorímetro y esperamos a que el sistema se estabilizara. Con un termómetro de mercurio medimos la temperatura final que alcanza el mismo en el equilibrio. De esta forma obtuvimos k, que representa una masa deagua cuya capacidad calorífica es igual a la del conjunto constituido por el termómetro, el recipiente y la lamparita.

Figura 1. Diseño experimental para medir la constante eléctrica del calor a partir de la potencia disipada por una lamparita y el calor recibido por el agua dentro del calorímetro.

Una vez que contamos con el valor de k, pudimos llevar a cabo nuestro experimento principal.Para ello, necesitamos de una fuente de tensión, en nuestro caso con 12 volt, y un amperímetro para medir la corriente que circula por la resistencia eléctrica. Nuestra resistencia fue

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(3)

(4)

una lamparita de 100 W. Proporcionamos a la lamparita una potencia de aproximadamente 29.2 W. En la figura 1 se ilustra la...