Práctica 5

Universidad Nacional Aut´onoma de M´exico
Instituto de Energ´ıas Renovables
Laboratorio de Termodin´amica
Pr´actica 5. Equivalente mec´anico del calor
Ademir Rub´ı M´endez
7 de Octubre de 2015

Objetivos
• Obtener el valor del equivalente mec´anico del calor.
• Determinar el trabajo y el calor asociados a un sistema mec´anico.
Introducci´
on
La energ´ıa puede cruzar la frontera de un sistemacerrado (Paredes diat´ermicas) en dos formas:
calor y trabajo. El calor se define como la forma de energ´ıa que se transfiere entre dos sistemas (o entre
un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura. Es decir el concepto termodin´amico
del flujo de calor es la transferencia de energ´ıa t´ermica durante un proceso. El calor tiene unidades
de J (Joul).
Al igual que el calor, eltrabajo es una interacci´on de energ´ıa que ocurre entre un sistema y el
exterior. Si la energ´ıa que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, debe ser trabajo. Es
decir el trabajo es la transferencia de energ´ıa relacionada con una fuerza que act´
ua a lo largo de una
distancia. Por lo tanto al ser tambi´en una forma de energ´ıa transferida, el trabajo tiene unidades de
energ´ıa como J.s2

F · ds

W =
si

Si se proporciona calor al sistema se considera positivo (+), si el sistema entrega calor a sus alrededores es negativo (-). Para el trabajo se considera positivo (+) cuando el sistema genera o da trabajo
a los alrededores,si el trabajo se realiza sobre el sistema por el entorno, es negativo (-).
Trabajo de flecha
La transmisi´
on de energ´ıa mediante un eje rotatorio (flecha) esuna pr´actica com´
un en los sistemas
termodin´amicos. El momento de torsi´
on o torque aplicado al eje se considera constante, lo cual significa que la fuerza ”F” aplicada tambi´en se considera constante. Para un determinado momento de
torsi´on constante, el trabajo realizado durante ”N” revoluciones se determina as´ı:
Una fuerza F que act´
ua por medio de un brazo de momento r genera un momentode torsi´on M.

1

∂W = M dθ

Donde:

M=Fr ; F=mg
1 W2

= M (θ2 − θ1 ) = mf r2π

Es el trabajo que se necesita para que el sistema gire 360◦ , para que el sistema gire N veces, el
trabajo que se aplica es:
1 W2

= M (θ2 − θ1 ) = mf r2πN

Experimento de Joule
Con el experimento de Joule de determina el equivalente mec´anico del calor, es decir, la relaci´
on
entre energ´ıa mec´
anica y laenerg´ıa t´ermica. Mediante este experimento, se pretende poner de manifiesto la cantidad de energ´ıa que es necesaria transformar en calor para elevar apreciablemente la
temperatura de un volumen de agua.
Joule encontr´
o que 4.186(J) de energ´ıa mec´anica aumenta la temperatura de 1(g) de agua en 1(◦ C.
As´ı, se define la calor´ıa como 4.186(J) sin referencia a la sustancia que se est´a calentando.1(cal) = 4.186(J)

La conversi´on de energ´ıa mec´
anica ´ıntegramente n calor se expresa mediante la siguiente ecuaci´
on.

1 W2 (J)

= ∆U (cal)

mgr2πN = mc(T2 − T1 )

Material

Cantidad
1
3
1
1

Material
Aparato del equivalente mec´anico del calor
Masas de 100, 200 y 500 (g)
Termopar
Calibrador vernier

2

Desarrollo experimental
Comenzamos fijando a un superficie el aparato del equivalentemec´anico del calor, fijamos la cuerda
le dimos vueltas con este al cilindro de aluminio que rota del mecanismo. Continuamos amarrando
la pesa de 100 g y verificando que esta provocara una tensi´on en la cuerda, para ello, simplemente
colocamos la pesa a una altura sobre el nivel del suelo.
Proseguimos a tomar la temperatura inicial del cilindro de aluminio, el siguiente paso fue dar 300
vueltas almecanismo girando la manivela, a velocidad constante, procurando que el cilindro girar´
a
libremente y que la tensi´
on del otro extremo de la cuerda no afectar´a el proceso, finalmente se tom´
o
la temperatura final usando el termopar. Se repiti´o el algoritmo anterior para cada una de las pesas.

Se midieron las dimensiones del cilindro de aluminio utilizando el calibrador vernier, con el...