Equivalente eléctrico del calor

Experimento 4. Equivalente Eléctrico del Calor
04 de Mayo de 2010

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Física. Física Experimental IV. Laboratorio de Termodinámica.
Profesores: Álvaro San Martín y Jaime Caballero

Rosa María Corona González y Pamela Alejandra Franco Leiva
Rositacorona14@ hotmail.com - U2.love.pame@gmail.com

Resumen.
En este experimento se demostró que laenergía eléctrica disipada por un resistor, inmerso en el agua, es igual a la energía absorbida por el agua. Por lo cual se utilizó la ley de la conservación de la energía, siendo posible, de este modo, obtener la capacidad calórica del calorímetro utilizado, cuyo valor resultó Ccal=22,77±0,77[cal/ºC]. Donde la representación del número de joules de energía eléctrica que son equivalentes a unacaloría de energía térmica, experimental, resultó en la relación trabajo vs calor: Je=4,18±0,01[J], y de la relación trabajo vs temperatura: Je=4,18±0,01[J], teniendo: 0,14% y 1,00% con respecto al valor nominal respectivamente.

1. Introducción.

El objetivo de esta investigación es medir la equivalencia entre la caloría, unidad de energía utilizada en termodinámica, y el Joule, unidadestándar MKS.

La caloría es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 a 15,5 [ºC]. Joule demostró que existen diversas formas de energía que, al suministrarlas a un sistema pueden elevar la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius. Definiendo que 1[cal] es equivalente a 4,184[J]. [1]
Bajo lo acotado, es posible medir el trabajo eléctriconecesario para calentar un gramo de agua y elevar su temperatura un grado Celsius. Este experimento se realiza en un calorímetro, el cual es un recipiente de paredes aislantes, además este posee una resistencia en su interior, de modo que, al pasar corriente eléctrica por la resistencia se calentará el líquido que contiene el calorímetro.
Un calorímetro perfecto no cede ni absorbe calor. Sinembargo, no existen calorímetros perfectos por lo que a la hora de trabajar con este instrumento, se debe conocer el llamado equivalente en agua del calorímetro.
Por lo que por el principio de conservación de la energía, se debe cumplir:
[pic] (Ecuación 1)
Donde; ΔQcal, ΔQfria y ΔQcalorimetro son el intercambio por el agua caliente, fría y del calorímetro, respectivamente, en [cal].
O bien;[pic]
(Ecuación 2)
Despejando la Capacidad Calórica del calorímetro se tiene:
[pic] (Ecuación 3)
Donde; Maguafria es la masa del agua fría en [g], Maguacal la masa del agua caliente en [g] , Tif la temperatura del agua fría [ºC], Tic la temperatura del agua caliente en [ºC], Tf temperatura del agua mezclada[ºC] cagua calorespecífico del agua Cagua= 1[cal/gºC] y Ccal capacidad calórica del calorímetro [cal/ºC].
Con el cálculo anterior, se procede a suministrar energía eléctrica a la resistencia eléctrica rodeada de agua dentro del calorímetro. Si esta resistencia es alimentada por una fuente de poder que genera un voltaje aproximadamente constante, se obtiene por ende una corriente constante.
Como la potencia eléctricainstantánea disipada por la resistencia, viene dad por:
[pic] (Ecuación 4)
Donde P(t) es la potencia eléctrica en función del tiempo en[W] , I(t) es la corriente eléctrica en función del tiempo en [A] y V(t) la diferencia de potencial del generado en [V].
Entonces la energía aportada a la resistencia en un tiempo texp, será:
[pic] (Ecuación 5)
DondeP(t) es la potencia eléctrica en función del tiempo en[W] , Pm es la potencia promedio [W], texp es el tiempo del experimento en [s] y Weléctrico es la energía suministrada a la resistencia en [J].
La energía se transforma en calor. La cantidad de calor generado en el tiempo texp se invierte en elevar no sólo la temperatura del agua sino también la de las paredes del recipiente y otros...