EFECTO JOULEJuan David Burbano (1423133), Kevin David Prez (1425650)

Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Universidad del Valle, Cali, Colombia

Resumen

Se trabaj con un calormetro para tomar los cambios de temperatura en 1 oC en funcin del tiempo por medio de un termmetro incorporado en este (calormetro) y de un cronometro hasta obtener 10 datos para tres diferentes masas de agua para poder hacer seguimiento de su dinmica de generacin de calor por efecto Joule y as, determinar experimentalmente el equivalente elctrico del calor por el principio de conservacin de la energa cuyo error relativo en los tres casos son del 0.56, 38.0 y 104%.

1. Introduccin.

Si por un conductor circula corriente elctrica, parte de la energa cintica de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las molculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo, con lo que se origina el fenmeno conocido como efecto Joule, Para el estudio experimental de los procesos de intercambio de calor suele utilizarse un calormetro (recipiente con paredes aisladas) en general, tiene una pared doble entre las que se ha hecho el vaco o se introduce un material aislante trmico, que impide o minimiza la conduccin de calor de esta forma, los procesos que tengan lugar en el interior del calormetro estarn trmicamente aislados del exterior. El calormetro lleva incorporado una resistencia calefactora (es la componente que transforma la energa elctrica en energa calorfica) que se alimenta a travs de dos conectores que se encuentran en la tapadera esta, tiene dos orificios para introducir un termmetro y un agitador permite homogeneizar la temperatura.

2. Marco terico

El efecto Joule puede predecir la cantidad de calor que es capaz de entregar (disipar) una resistencia a esto se le denomina potencia o rapidez con la que se disipa energa elctrica en forma de calor, Para calcular la potencia que consume un dispositivo conectado a un circuito elctrico se multiplica el valor de la tensin, envolt (V), aplicada por el valor de laintensidad (I)de la corriente que lo recorre (expresada enampere) [3].Para realizar ese clculo matemtico se utiliza la siguiente frmula:P=VI Ec. (1)La energa elctrica cedida durante un tiempo t esW== VI (tf - ti) Ec. (2)Por el principio de conservacin de la energa cuando una cierta cantidad de agua est contenida en un calormetro y a su vez hay una resistencia R sumergida en esta a una temperatura Ti toda la energa elctrica se transforma en energa calrica Q.W = VI (tf ti) Q Ec. (3)Al serlas paredes del calormetro adiabticas, el calor disipado en la resistencia por efecto Joule ser ntegramente absorbido por el sistema (agua + calormetro) siendo este el calor ganado por el sistema.Qsist = Qagua + QcalQsist = (MaguaCagua + McalCcal)T Ec. (4)

En donde Cagua y Ccal corresponden a los calores especficos del agua y del calormetro y T al incremento a la temperatura.Tanto la energa elctrica como la calorfica deben poseer la misma unidad, por tanto se puede hallar el equivalente mecnico del calor J (el valor en Joules correspondiente a una calora) mediante la expresin:J = = = 4.186 Ec. (5)Reescribiendo la ecuacin anterior, siendo las magnitudes mensurables la temperatura del bao de agua y el tiempo, se tiene:T= (VI)t Ec.(6)Siendo la pendiente, m = = de una grfica de T vs t, al multiplicar esta grafica por el producto VI y al dividir por el factor da el inverso de la constante J (equivalente mecnico de calor) en , esta no se puede conocer con la precisin necesaria ya que no es preciso conocer todos los sumandos dentro de la sumatoria.T(t) = t - Ti Ec. (7)Para la pendiente en la ecuacin 7 se obtiene la expresin [4] = = MaguaCagua+ (McalCcal+ MresCres+.) Ec. (8)

3. Montaje experimental.

Se acudi a una balanza digital para hallar la masa del vaso del calormetro y se realiz el montaje de la figura 1, para tomar 10 datos del tiempo cada vez que cambiaba la temperatura del voltimetro en 1oC con ayuda de un cronometro, al utilizar agua con tres cantidades diferentes de masa las cuales se pesaron en la balanza; para cada caso se tom la intensidad de corriente y el voltaje del circuito.

Figura 1. Circuito elctrico para el estudio del efecto Joule.

4. Resultados y anlisis:Dato:-Calor especifico del calormetro y del agua: 0.22 y 1 . Se tomaron 10 valores de tiempo con ayuda de un cronometro cada vez que se notaba el cambio en 1oC en la temperatura indicada por el voltimetro contenido en el calormetro, el valor de la intensidad de corriente y voltaje para el circuito en cada caso al utilizar tres masas de aguas diferentes; estos datos se muestran en las tablas 1, 2 y 3.

Tabla 1. Datos experimentales para magua1.Masa calormetro ms agua:144.60 0.01 gTi = 27.5 0.1 oCCalormetro= 0.22

Masa calormetro:44.88 0.01gMasa del agua:99.72 0.01 g

t 1 (s)T 0.1(oC)t 1 (s)T 0.1 (oC)

303014635

443120536

1003223337

1163330238

1283433739

V= 4.81 0.02 VI= 3.00 0.01 AVI= 14.43 0.00003VAmexp= 0.032 0.003

Jexp= 4.1625 0.009

Tabla 2. Datos experimentales para magua2.Masa calormetro ms agua:198.56 0.01 gTi = 33.0 0.1 oCCalormetro= 0.22

Masa calormetro:44.88 0.01gMasa del agua:153.68 0.01 g

t 1 (s)T 0.1 (oC)t 1 (s)T 0.1 (oC)

203430939

383535740

1133643641

1413753742

2253862443

V= 4.77 0.02 VI= 3.01 0.01 AVI= 14.36 0.00003 VAmexp= 0.0152 0.0009

Jexp= 5.7747 0.004

Tabla 3. Datos experimentales para magua3.Masa calormetro ms agua:195.13 0.01 gTi = 37.0 0.1 oCCalormetro= 0.22

Masa calormetro:44.88 0.01gMasa del agua:150.25 0.01 g

t 1 (s)T 0.1 (oC)t 1 (s)T 0.1 (oC)

183851643

563960944

1364070345

2234174346

4184285947

V= 4.76 0.02 VI= 2.97 0.01 AVI= 14.14 0.00003VAmexp= 0.0104 0.0005

Jexp= 8.5251 0.002

Tabla 4. Datos para determinar el calor especifico del agua.mexp Masa del agua 0.01 g

0.0316331.6299.72

0.0152065.79153.68

0.0103696.53150.25

m = 0.9 0.7 Cagua= 1.00 1.010-8

Tabla 5. Datos de las grafica T vs tmexpInterceptoCoeficiente de correlacin

0.031630.4550.941

0.015200.2800.970

0.010360.2610.974

Tabla 6. Resultados experimentales.TablaMC

J % Error

1109.60.24024.16250.56

2163.60.17325.774738.0

3160.10.11738.5251104

Se grafica la temperatura en funcin del tiempo obtenindose una relacin lineal como se aprecia en la grfica 1 y, se grafica el inverso de las pendientes obtenidas en la grfica 1 en funcin de la masa obtenindose una relacin lineal como se ilustra en la grfica 2.

Grafica 1. Temperatura ( oC) en funcin del tiempo (s)

Grafica 2. Inverso de la pendiente (vs masa del agua

Por tratarse de una constante se espera que el valor experimental del equivalente mecnico del calor experimental sea prximo y no se aleje mucho del valor esperado que es de 4.186 J/cal para cada caso, al tomar tres masas diferentes de agua pero, al tomar datos experimentales siempre se cometen errores ya que toda medida viene afectada de una imprecisin inherente al proceso de medida siendo los ms frecuentes los errores personales ya que estos, dependen de la persona que realiza la medida, al realizar los respectivos clculos de dicha constante al multiplicar cada pendiente con su respectivo Mc y dividir dicho valor por su respectico VI con los datos obtenidos para la primer cantidad de agua tabla 1, se obtuvo un error relativo (indica la calidad de la medida) del 0.56% que es un valor muy pequeo pero; para los datos de la tabla 2 y 3 este error fue grande (38.0 y 104%) especialmente, para los datos de la tabla 3 quizs, debido a que el calormetro no se encuentra completamente aislado por tanto se presentan factores como la temperatura ambiente lo que hace que la temperatura del agua se altere, durante la prctica al agua contenida en el calormetro se le adicionaba ms agua de la que estaba a temperatura ambiente quizs siendo el motivo que pudo haber afectado al sistema ocasionando esta discrepancia y adems la temperatura no fue uniforme ya que el agitador distribua el calor pero no se le dio el uso adecuado

m siendo la pendiente de la grfica 2 (cuyo valor es 0.9162 s/ goC) es proporcional a la capacidad calorfica del agua , dicho valor no concuerda con el valor esperado que es de 0.297 s/ goC el cual se halla al emplear la ecuacin 8 reemplazando el valor real de J y el valor VI obtenido en cada caso al igual que el valor de Mc, debido al error tan elevado que se obtuvo por los datos de la tabla 2 y 3 tomados experimentalmente.

5. CONCLUSIONES: El calor es proporcional al tiempo durante el que pasa la corriente y a la resistencia del conductor. Jams se debe cerrar el circuito si el calormetro est sin agua ya que corre el peligro de daar el calefactor. El calentamiento por efecto Joule es mayor cuanto mayor son dos factores: laresistenciadel conductor y laintensidadque lo recorre. Si el calormetro contiene una cierta cantidad de agua, ma, y por la resistencia elctrica, R, circula una corriente de intensidad I, al serlas paredes del calormetro adiabticas, el calor disipado en la resistencia por efecto Joule ser ntegramente absorbido por el sistema (agua + calormetro) produciendo un aumento de su temperatura.

6. BIBLIOGRAFIA: Sears Francis W. y Zemansky Mark W., Fsica Universitaria, Novena Edicin, Addison-Wesley Iberoamericana, Mxico (1998). Guas de Practicas Laboratorio , Universidad del Valle .