Efecto Joule (Fiz 153)

Efecto Joule

Indagación

¿Cómo calentar un líquido utilizando un material conductor?

Objetivo

Estudiar la transferencia de energía desde una resistencia eléctrica al agua, obteniendo a partir de los resultados el valor del calor específico del agua ().

Equipamiento

- Computador PC con interfaz PASCO Science Workshop.

- Amplificador de Potencia, PASCO CI-6502

- Sensor de Temperatura, PASCO CI-6505

- Calorímetro PASCO

- Resistencia

- Balanza

- Agua

- Conectores

Teoría

En este experimento una resistencia eléctrica calienta el agua a través del efecto Joule, el cual relaciona la potencia disipada por la resistencia y el calor absorbido por el agua. Si se cumple el Principio de Conservación de la Energía, entonces no hay pérdidas de calor entre la resistencia y el agua, es decir, toda la energía o calor que disipa la resistencia es absorbida por el agua. Entonces, la energía disipada en la resistencia es:

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

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

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

donde $LaTeX: \bar{I}$ es la corriente promedio y $LaTeX: \bar{V}$ el voltaje promedio. La energía absorbida agua está dada por,

$LaTeX: Q = mC_e \Delta T \qquad\quad\qquad (3)$

donde $LaTeX: m$ es la masa de agua, $LaTeX: C_e$ es el calor específico del agua ($LaTeX: 1 cal/gr\°C$) y $LaTeX: \Delta T$ es el cambio en la temperatura del agua. Luego, la tasa de transmisión de calor debe cumplir la siguiente relación:

$LaTeX: \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \frac{mC_e \Delta T}{\Delta t} = \bar{P} \qquad\quad\qquad (4)$

Procedimiento Experimental

1. Mase el calorímetro sin tapa, luego llene el compartimiento interior hasta aproximádamente 90% de su capacidad y máselo nuevamente. Calcule la masa del agua en el interior del calorímetro.
2. Tape el calorímetro e introduzca la resistencia y el termómetro en los agujeros de la tapa, como muestra la Figura 1.
3. Encienda el computador y el Amplificador de Potencia, y ejecute el programa Data Studio. Conecte el Amplificador de Potencia en el Canal A y el sensor de temperatura en el Canal B.
4. Seleccione el Sensor de Temperatura (acero inoxidable) para el Canal B y fije la Frecuencia de Muestreo en $LaTeX: 10 Hz$.
5. En la ventana del Generador de Señales presione el botón de corriente continua (DC) y fije el voltaje de salida del Amplificador de Potencia en $LaTeX: 9 V$. Presione el botón Auto.
6. Presione START para iniciar la recolección de datos y grafique el voltaje del amplificador, la corriente del amplificador y la temperatura, en función del tiempo. Observe los gráficos y después de 5 minutos desconecte la resistencia del amplificador. GUARDE SUS DATOS.
7. Conecte nuevamente la resistencia al amplificador, cambie el agua del calorímetro y repita los pasos (1) y (5) 5 veces.

Figura 1: Montaje del del experimento.

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.

Análisis de Datos

Para cada corrida de datos se debe seguir el siguiente procedimiento de reducción de datos:

1. Exporte sus datos a excel. Elija un intervalo en el cual la temperatura aumente linealmente con el tiempo, ajuste una recta y registre la pendiente de la curva ($LaTeX: \Delta T/\Delta t$).
2. Grafique la potencia disipada por la resistencia en el mismo intervalo de tiempo utilizado en (1). Encuentre el valor promedio de la potencia.
3. A partir de la ecuación (4) y utilizando los valores encontrados en (1) y (2), calcule el valor de Ce (recuerde que $LaTeX: 1 Cal = 4.184 J$).
4. Repita el paso (3) para cada una de las 5 corridas de datos y encuentre un valor promedio de $LaTeX: C_e$ junto a su respectivo error. Compare este valor con el valor.

Preguntas

Estas son preguntas referentes a los resultados de los experimentos. Les servirán de guía para redactar la sección de análisis y conclusiones del informe:

• ¿Cómo se comparan la energía ganada por el sistema agua-calorímetro con la energía cedida por la resistencia?
• Compare el valor de la potencia máxima de la resistenica (valor de fábrica) con el valor de la potencia cedida por la resistencia al agua. ¿Por que la resistencia no se quemó?
• ¿Cómo se explica la diferencia entre el valor teórico y experimental de $LaTeX: C_e$?
• Indique las posibles fuentes de error en este experimento, como corregirlas y evitarlas.