Ley de Joule (Fiz0112)

Ley de Joule

Objetivo

Estudiar la transferencia de energía desde una resistencia eléctrica al agua, obteniendo a partir de los resultados una medición del equivalente eléctrico del calor.

Equipamiento

- Computador PC con interfaz PASCO Science Workshop

- Amplificador de Potencia, PASCO CI-6502

- Sensor de Temperatura, PASCO CI-6505

- Resistencia de $LaTeX: 10 W$, $LaTeX: 1 W$

- Balanza

- $LaTeX: 200 ml$ de agua

- Vaso plástico

- Conectores

Teoría

El agua es calentada por una resistencia eléctrica sumergida en ella, por la que circula una corriente. El calor disipado por efecto Joule en la resistencia es transferido al agua. Usamos el Principio de Conservación de la Energía, suponiendo que no hay pérdidas de calor, lo que equivale a que toda la energía entregada por la resistencia es absorbida por el agua.

La energía disipada en la resistencia es

$LaTeX: E= \bar{P} \cdot t \qquad\qquad\qquad (1)$

donde $LaTeX: t$ es el tiempo que circula la corriente y $LaTeX: \bar{P}$ es la potencia promedio, dada por,

$LaTeX: \bar{P}= \bar{I} \cdot \bar{V} \qquad\qquad\qquad (2)$

con $LaTeX: \bar{I}$ la corriente promedio y $LaTeX: \bar{V}$ el voltaje promedio.

La energía absorbida por el agua está dada por,

$LaTeX: Q=m \cdot c \cdot \Delta T \qquad\qquad\qquad (3)$

donde $LaTeX: m$ es la masa de agua, $LaTeX: c$ es el calor específico del agua (1 cal/gr ºC) y $LaTeX: \Delta T$ es el cambio en la temperatura del agua. Para obtener el equivalente eléctrico del calor, se iguala la energía disipada por la resistencia (en Joule) a la energía ganada por el agua (en calorias).

Montaje Experimental

1. Pese el vaso plástico.

2. Prepare la resistencia de 10 W, uniendo a ella los conectores aislados necesarios.

3. Conecte el Amplificador de Potencia en el Canal C de la interfaz.

4. Conecte el sensor de temperatura en el Canal A de la interfaz.

5. Conecte cables para la medición de voltaje (Sensor de Voltaje) en el Canal B de la interfaz.

Precaución: asegúrese de que no se produzcan corrientes de aire en el interior del laboratorio, para no alterar las mediciones de la temperatura

Cuidado: asegúrese que la resistencia esté sumergida en agua cuando conecte el circuito. En caso contrario, ésta se quemará al aplicar el voltaje.

6. Ponga $LaTeX: 200 ml$ de agua en el vaso plástico y péselo.

7. Use agua que esté a unos tres grados por debajo de la temperatura ambiente al iniciar la recolección de datos.

8. Tome datos hasta que la temperatura esté a unos tres grados por sobre la temperatura ambiente. Estas condiciones minimizan efectos del medio, ya que el agua gana energía de éste durante la mitad del experimento y le cede durante la otra mitad.

9. Reste la masa del vaso, de la masa total, para obtener la masa del agua. Sumerja la resistencia en el agua. Cubra la parte superior del vaso con papel aluminio, para minimizar pérdidas por radiación y convección.

10. Encienda el computador y el Amplificador de Potencia. Ponga en ejecución el programa Data Studio

Parte I: Calibración del Programa

Procedimiento

1. Seleccione el Sensor de Temperatura para el Canal A, para el Canal B seleccione Sensor de Voltaje y para el Canal C Amplificador de Potencia.

2. En la ventana del Generador de Señales presione el botón CC y fije el voltaje de salida del Amplificador de Potencia en 9 volt. Presione el botón Auto.

3. En el sensor de voltaje ponga la Frecuencia de Muestreo en 10 Hz.

4. En Opciones (Options) seleccione Condición de Parada e ingrese para el Tiempo 10 min. En estas condiciones se tomarán 60 datos en los 10 minutos, lo que equivale a un punto cada 10 segundos. Presione aceptar y cierre la ventana.

5. Active la tabla de datos para el canal A.

6. Despliegue la tabla de datos de los canales B y C.

7. Presione START para iniciar la recolección de datos y cierre de inmediato el circuito eléctrico, aplicando el voltaje a la resistencia.

Parte II: Ejecución del Experimento

1. IMPORTANTE: mientras se realice la adquisición de datos, agite suavemente el agua, para asegurar calentamiento uniforme.

2. Cuando la temperatura alcance un valor tres grados por encima de la ambiente, abra el circuito eléctrico. Continúe agitando el agua y tomando datos. La temperatura subirá hasta un valor máximo, cuando todo el calor de la resistencia se haya disipado, y luego empezará a descender, por disipación al medio.

3. Imprima su tabla de datos.

4. Anote las temperaturas máxima y mínima de la tabla, en el rango válido de mediciones.

5. Grafique Temperatura vs tiempo.

6. Para realizar el análisis estadístico presione ,seleccione Ajuste de Curva y Ajuste Lineal.

7. Para encontrar el voltaje y la corriente promedios vuelva a la tabla de datos y en los canales B y C presione

Anote los valores medios de voltaje y corriente que figuran al final de la tabla.

Análisis de Datos

1. Calcule la Potencia Promedio disipada por la Resistencia, usando la Ec. (2)

2. Calcule la Energía (en Joules) disipada por la resistencia durante el tiempo de circulación de la corriente, usando la Ec. (1).

3. Calcule la Energía (en calorías) absorbida por el agua usando la Ec. (4).

4. Iguale la Energía disipada con la energía absorbida y obtenga a partir de la igualdad, el número de Joules por caloría (equivalente mecánico del calor). Calcule la diferencia porcentual entre el valor medido y el valor aceptado ($LaTeX: 4,184 J/cal$).

5. Calcule la pendiente del gráfico $LaTeX: T$° versus $LaTeX: t$.

6. Obtenga el equivalente eléctrico del calor a través de la pendiente y compárelo

con el valor aceptado.

Preguntas

1) La energía ganada por el sistema agua-calorímetro resultó ser ¿Mayor o menor que la energía cedida por la resistencia? Explique el resultado.

2) La resistencia usada es de $LaTeX: 1W$. ¿Cuánto mayor que este valor fue la potencia característica disipada por la resistencia en el experimento?

3) ¿Por que la resistencia no se quemó?.

4) ¿Por qué se produce una variación de la intensidad de la corriente y es necesario corregirla?

5) ¿Qué error se pretende corregir en la experiencia cuando se le pide que tome un promedio de $LaTeX: V$?, ¿Por qué puede variar durante el experimento si mantenemos $LaTeX: I$ constante?.

6) ¿Qué porcentaje de error tiene el valor de $LaTeX: J$ calculado por Ud., con respecto al valor aceptado?.

7) Si Ud. no dispusiera de un voltímetro, ¿que dato adicional necesitaría para calcular $LaTeX: J$?, ¿Qué inconveniente presenta realizar la experiencia de ésta manera?.

8) Indique las posibles fuentes de error en este experimento y como corregirlas y evitarlas.