Universidad Nacional del Callao

Facultad de Ingeniería Química

Escuela Profesional de Ingeniería Química

EQUIVALENTE ELECTRICO DE CALOR

CURSO: FISICA II

PROFESOR: BELLIDO QUISPE RICHARD

INTEGRANTES:

CHACON AVENDAÑO LIZ DOMINGUEZ HINOJOSA FIORELLA

VARGAS SANCHEZ IRVING SANTA MARIA BERNA CHRISTIAN

SALAZAR CACERES JOSUE

GRUPO HORARIO: 91G

BELLAVISTA - CALLAO

2009 – A

EQUIVALENTE ELECTRICO DE CALOR

OBJETIVOS:

Calcular el número de Joules de energía eléctrica que son equivalentes a una caloría de energía térmica.

Comprobar que el valor de una unidad de calor es igual a 4.184 unidades de energía disipada por la resistencia

Verificar que la energía eléctrica consumida por la resistencia es aproximadamente igual a la energía ganada por el agua

FUNDAMENTO TEORICO

La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas estáticas o en movimiento y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de cargas eléctricas, llamadas positivas y negativas. Las cargas de igual nombre se repelen y las de distinto nombre se atraen.

La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos en circunstancias normales contienen electrones, y a menudo los que están más alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad. En algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De esta manera un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la reordenación de los electrones. Un átomo normal tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa, por lo tanto es eléctricamente neutro. La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo, que por convención son negativas, esta equilibrada por la carga positiva localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay más cargas eléctricas positivas en el núcleo.

El principio de conservación de la energía nos dice que si una cantidad dada de energía de algún tipo se transforma completamente en calor, la variación de la energía térmica resultante debe ser equivalente a la cantidad de energía entregada. En este experimento buscamos demostrar el equivalencia entre la energía entregada a un sistema y el calor en que se convierte. Si la energía se mide en joules y el calor en calorías, nos propondremos encontrar también encontrar la equivalencia entre estas unidades.

La mayor parte de las provisiones de energía están en forma de combustibles tales como el carbón ó el petróleo, en los cuales la energía se encuentra almacenada en forma de energía interna y la convierte en calor. De esté modo la energía puede atizarse para calentar habitaciones, cocinar o mantener un horno a la elevada temperatura, con el objeto de efectuar otros procesos químicos; en nuestro caso cuando se calienta agua sumergiendo una resistencia de calentamiento y circula una intensidad por la resistencia, el calor transferido por la resistencia al agua hace que cambie su temperatura. Esto es posible debido una propiedad de todo conductor denominada “resistividad”.

Utilizando la conservación de la energía, si no hay pérdidas en los alrededores, toda la energía dada por la resistencia debería ser absorbida por el agua. La energía, E , disipada por la resistencia es:

E = Pt

Donde: t, es el tiempo que circula la intensidad por la resistencia. P, es la potencia dada por:

P = IV

Donde I, es la intensidad que circula por la resistencia V, es el voltaje a través de la resistencia.

La energía dada por la resistencia está dada por:

Q = mc∆T

Donde: m, es la masa del agua c , es el calor especifico del agua ∆T, es el cambio de temperatura del agua

Intensidad de corriente eléctrica:

La intensidad de corriente es la cantidad de carga eléctrica que pasa a través de una sección del conductor por unidad de tiempo, por lo tanto el valor ( i) de la intensidad instantánea será:

Si la intensidad permanece constante (en cuyo caso denotamos I), utilizando incrementos finitos de tiempo, podemos definirla como:

Si por el contrario la intensidad es variable la fórmula anterior nos dará el valor de la intensidad media en el intervalo de tiempo considerado.

La unidad de intensidad de corriente en el Sistema internacional de unidades es el amperio.

Potencia:

En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por:

Donde:

P es la potencia E es la energía o trabajo t es el tiempo.

La unidad de potencia en el Sistema internacional (SI) es el vatio, el cual es equivalente a un julio por segundo.

Fuera del SI también se utilizan el Caballo de Vapor (CV) y el Horse Power (HP), equivalente a 746 W.

Voltaje:

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la diferencia entre dos puntos en el potencial eléctrico. Si un conductor eléctrico se pone entre dos puntos que tienen una diferencia de potencial, se producira un flujo de corriente eléctrica. Energía térmica:

Se denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o carbón), mediante electricidad por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.

La energía así obtenida se puede aprovechar directamente, para calefacción (estufas), obtención de agua caliente (calderas) y refrigeración (refrigeración por absorción). En estos casos, la energía térmica puede provenir de procesos de combustión, de fuentes naturales (sol, geotérmica), de la energía eléctrica o del aprovechamiento de calor residual de procesos industriales.

La energía térmica también se puede aprovechar en un motor térmico; en el caso de la energía nuclear para la generación de energía eléctrica, y en el caso de la combustión, además, para obtener trabajo, como en los motores de los automóviles o de los aviones.

Energía eléctrica:

La electricidad se puede definir como la energía creada por las cargas que poseen los átomos cuyo número de electrones es diferente del número de protones en su interior. En Grecia hacia año 600 a.C. se observaba el comportamiento de un trozo de ámbar al ser frotado con la piel. La palabra electricidad viene de elektrón, que significa ámbar. La electricidad se obtiene mediante distintos métodos, como el roce íntimo entre dos objetos.

El sistema para producir corriente alterna(que cambia de polaridad) más usado es el del generador eléctrico. El generador es un rotor formado por un rollo de cables alrededor de un eje, el cual gira dentro de un campo magnético estático. Por cada vuelta el generador envía dos cargas eléctricas de distinta polaridad. Para poder abastecer a un país con un alto consumo de electricidad, es conveniente utilizar una nueva fuente de energía utilizable. Hoy esta fuente es la energía nuclear, la que puede convertirse en eléctrica.

EQUIPOS Y MATERIALES:

Computador Personal Programa data estudio instalado. Interface science Workshop 750 Sensor de temperatura (CI-6505A) Amplificador de potencial (CI-6552A) Resistencia de calentamiento Varios: Balanza y ohmiómetro digital EXTECH MV110

PARTE EXPERIMENTAL:

Primera actividad (determinación del equivalente eléctrico del calor)

Teniendo todo preparado (accesorios y sensores), comenzaremos la recogida de datos pulsando el botón inicio.

Ya empezada la actividad, agitamos suavemente el vaso a fin de que la temperatura aumente uniformemente describiendo una recta con pendiente positiva.

Cuando la temperatura aumente en 3ºC apagamos el amplificador, pero no detenemos la actividad hasta que la temperatura alcance el equilibrio. Y observaremos las siguientes gráficas.

Grafica de Temperatura vs. Tiempo

Gráfica de Potencia vs. Tiempo

Los datos que obtenemos de las gráficas son:

Tºmax = 24.7993 Potencia max= 9.997

Energía eléctrica disipada = 5773.977

Con nuestros datos calculamos el calor transferido, con la ecuación:

Q=mcΔT

Q= (200g)(1cal/g ºC)(24.7993ºC – 19ºC) = 1159.86 cal

Ahora procedemos a calcular nuestro equivalente eléctrico del calor (experimental)

E.E.C(J/cal) = Energía – eléctrica = 5773.977 J = 4.978 Energía – térmica 1159.86 cal

Cálculo del error porcentual:

CUESTIONARIO:

1.- ¿Era la energía térmica ganada por el agua mayor, la misma o menor que la energía eléctrica disipada por la resistencia?

Pasamos la energía térmica a joules:

Ahora comparando las energías nos damos cuanta que la energía ganada por el agua es menor a la energía eléctrica disipada.

2.- Las propiedades de la resistencia son 10 ohmios por 1 vatio. ¿Por cuánto se ha sobrepasado la potencia en esta experiencia? Explique.

Según nuestra gráfica la potencia no se sobrepasa en ningún momento. Porque nuestra potencia máxima nos da 9,997 y la potencia del dada es de 10.

3.- ¿Cuáles son los factores que se deberían tener en cuenta en el porcentaje de diferencia entre el valor aceptado y el experimental para el equivalente eléctrico del calor?

El efecto del entorno, puesto que el agua gana energía del medio en el que se encuentra. Se deberían tener en cuenta por ejemplo la temperatura asegurarse que no haya en el interior del laboratorio corriente de aire, para no alterar las mediciones de temperatura, tambien agitar suavemente el agua para asegurar calentamiento uniforme, anotar bien la toma de datos, etc.

4.- Según lo visto en esta experiencia responda: ¿Cómo se relaciona el aumento de la energía térmica del agua con la energía eléctrica suministrada?

Se relacionan en forma directamente proporcional, porque a medida que la energía eléctrica se mantenga por mas tiempo, aumentara la energía térmica.

5.- ¿Afecta el calor del medio de modo considerable en el desarrollo de este experimento?, ¿Qué precauciones deberían tomarse?

Si, porque el medio ambiente suministra calor al agua salida del caño. Bajar la temperatura del agua a una considerable, para tomar los datos correctos.

6.- ¿Cuál es la naturaleza de la energía emitida por el bulbo? Explique.

Energía eléctrica, existe una transformación continua de energía química almacenada en el bulbo que es la energía cinética de los portadores de carga.  Esta energía cinética se pierde rápido como resultado de las colisiones de los portadores de carga con el arreglo de iones, ocasionando un aumento en la temperatura del conductor.  Por lo tanto, se ve que la energía química almacenada en el bulbo es continuamente transformada en energía térmica.

7.- ¿Depende esta energía del área de superficie en contacto con el agua? Explique.

No, ya que dependiendo de la cantidad de agua, en el sistema esta demorará en captar el calor suministrado por el foco (no por área de la superficie), la cual es la energía que ganaría (calor transferido), el agua de acuerdo a su peso y a las diferencias de temperatura.

8.- ¿Mediante que proceso se transfiere calor al agua? Explique.

Es un proceso eléctrico, la transferencia de calor se lleva a cabo en el momento en que en sistema térmico (calorímetro) se enciende, transfiriendo calor al agua, y para que capte el calor uniformemente agitamos el vaso suavemente.

9.- Explique a que se denomina energía radiante.

La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.

Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

10.- Para el experimento realizado, ¿Se transforma toda la energía eléctrica en calor? Explique.

Cuando una onda incide sobre un cuerpo que no es transparente a ella, esta es absorbida y esta es convertida en calor

Pero las ondas incidentes son parcialmente absorbidas parcialmente reflejadas y parcialmente transmitidas

E: Energía radiante incidenteEa: Energía absorbidaEr: Energía ReflejadaEt: Energía transmitida

Q + P + T = 1

Nota: El cuerpo que absorbe totalmente la energía radiante se llama cuerpo Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

CONCLUSIONES:

Que se ha obtenido un valor para la constante eléctrica del calor que es de 4.978 J/cal que es aproximadamente igual a 4.184 J/cal

En un proceso ideal la energía eléctrica en calorías debe ser igual a la energía térmica también en calorías, debido a que no se tuvo las condiciones apropiadas se obtuvo un porcentaje de error de 18,9 %.

La energía eléctrica también sirve para transmitir calor a otros cuerpos a

través del contacto térmico.

La energía eléctrica consumida por la resistencia es aproximadamente igual

a la energía térmica ganada por el agua.

El uso del calorímetro ayuda a obtener una cantidad mas exacta de los

resultados, pues mantiene el sistemas aislado del medio, permitiendo una

perdida mínima de calor.

REFERENCIAS:

http://72.14.207.104/search?q=cache:CIDzZdyDRkcJ:www.fis.puc.cl/~labdoc/Guias%2520Laboratorios/Fis1530_SW/exp4_1530.PDF+EQUIVALENTE+ELECTRICO+DEL+CALOR&hl=es

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad

Física – tomoI . Raymond Serway. Cuarta Edición.

http://html.rincondelvago.com/energia-electrica_6.html