Informe Final Equivalente Mecanico DE Calor PDF

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EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALORA. COMPETENCIA ESPECIFICAEvalúa mediante simulación virtual el experimento de Joule para determinar el calor especifico del agua teniendo en consideración el concepto de equivalente mecánico de calor.B. INFORMACIÓN TEÓRICAMediante la siguiente experimentación virtual, s...

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Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR A. COMPETENCIA ESPECIFICA Evalúa mediante simulación virtual el experimento de Joule para determinar el calor especifico del agua teniendo en consideración el concepto de equivalente mecánico de calor. B. INFORMACIÓN TEÓRICA Mediante la siguiente experimentación virtual, se pretende demostrar que se necesita una gran cantidad de energía para transformar en calor y así poder elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua. El experimento consta de un recipiente aislado térmicamente que contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, y un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa colgante, tal como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: representación del experimento de Joule La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial y como consecuencia, el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción. Si el bloque de masa 𝑀 desciende una altura ℎ, la energía potencial disminuye en 𝑀𝑔ℎ, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas). Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC) (que es más alto que el de cualquier otra sustancia común, por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la regulación de la temperatura). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J (1 cal = 4.186 J) sin referencia a la sustancia que se está calentando. En la presente simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas. La conversión de energía mecánica en calor se puede expresar mediante la siguiente ecuación. 𝑀 𝑔 ℎ = 𝑚 𝐶𝑒 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜 ) Donde: 𝑀: masa del bloque que cuelga de la polea LF-007/ 1 de 12

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𝑔: aceleración de la gravedad ℎ: altura de desplazamiento vertical de la masa colgante 𝑚: masa de agua en el calorímetro 𝐶𝑒: calor especifico 𝑇𝑓 : temperatura final 𝑇𝑜 : temperatura inicial De la ecuación (1) se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K)

𝐶𝑒 =

𝑀𝑔ℎ 𝑚 (𝑇𝑓 −𝑇𝑜 )

(2)

Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía. C. MATERIALES Y ESQUEMA  Uso de PC o Laptop  Acceso con conexión a internet

Figura 2. Esquema representativo del sistema para la experimentación

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APELLIDOS Y NOMBRES: RONDON SALAZAR DANIEL CUI: 20201927 MARCELO ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERIA GEOLOGICA

FECHA:10/11/20

HORARIO:05:00/06:40

FIRMA:

PROFESOR (A): JULIO CESAR RIVERA TACO

NOTA:

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR D. CUESTIONARIO PREVIO

E. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Ingrese al siguiente link. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/joule/joule.html 2. Tenga en cuenta que:  𝐶𝑒𝐻2 𝑜 = 4186 J/(kg K).  el desplazamiento vertical de la masa colgante es ℎ = 100.1 𝑐𝑚  la gravedad en el siguiente experimento es 𝑔 = 9.8 m/s2  la temperatura inicial es 𝑇𝑜 = 20 C 3. Según le indique su profesor anote el valor de la masa de agua 𝑚 = …0.175… ( kg ); la cual se mantendrá constante para la obtención de los datos de la tabla 1. 4. Para obtener la Lectura 1, en la Tabla 1 anote la masa 𝑀 que le indique su profesor, después haga click en la pestaña “Nuevo” y luego presione play. Ahora espere a que la masa colgante 𝑀 se desplace ℎ. Cuando la masa 𝑀 se detenga usted deberá de anotar en la Tabla 1, la temperatura final 𝑇𝑓 que marca el termómetro inmerso en el calorímetro. Repita el procedimiento anterior para completar la Tabla 1, adicionando a la masa M como mínimo 50 kg en cada lectura. Tabla 1: temperatura final (𝑇𝑓 ) para diferentes masas (𝑀) colgantes Lectura 1 2 3 4 5

𝑀 ( kg )

𝑇𝑓 ( ºK )

50 100

293.67 294.34

150

295.01

200

295.68

250

296.34

Nota: La altura (h) = 100.1 cm 5. Según le indique su profesor anote el valor de la masa colgante 𝑀 = 150 ( kg ); la cual se mantendrá constante para la obtención de los datos de la Tabla 2.

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6. Para obtener la Lectura 1, en la tabla 2 anote la masa de agua 𝑚 que le indique su profesor, después haga click en la pestaña “Nuevo” y luego presione play. Ahora espere a que la masa colgante 𝑀 se desplace ℎ. Cuando la masa 𝑀 se detenga usted deberá de anotar en la Tabla 2, la temperatura final 𝑇𝑓 que marca el termómetro inmerso en el calorímetro. Repita el procedimiento anterior para completar la Tabla 2, adicionando a la masa m como mínimo 50 g en cada lectura. Tabla 2: temperatura final (𝑇𝑓 ) para diferentes masas (𝑚) de agua en el calorímetro Lectura

𝑚 ( kg )

1 2 3 4 5

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

𝑇𝑓 ( ºK )

1

𝑚

( kg-1 )

300.03

20

296.52 295.34

10 6.67

296.12

5

296.90

4

Nota: La altura (h) = 100.1 cm F. ANÁLISIS DE DATOS 1. Con los datos de la Tabla 1, grafique 𝑇𝑓 en función de 𝑀; determine la ecuación de la gráfica y obtenga el valor de la pendiente e intersecto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional.

La grafica nos muestra la temperatura final (Tf) en función de la masa colgante (M) de los datos obtenidos en la tabla 1. Esta gráfica representa una función Identidad. 1

2. Con los datos de la Tabla 2, grafique 𝑇𝑓 en función de ; determine la ecuación de la 𝑚 gráfica y obtenga el valor de la pendiente e intersecto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional.

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La grafica nos muestra la temperatura final (Tf) en función de la inversa de la masa del agua (1/m) de los datos obtenidos en la tabla 2. Esta gráfica representa una función exponencial. G. COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN 1. A partir de la pendiente de la gráfica 1, obtenga el valor del 𝐶𝑒𝐻2 𝑜 y compare con el valor del 𝐶𝑒𝐻2 𝑜 de E.2. 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵

→

𝑇𝑓 = 𝐴𝑀 + 𝐵

→ 𝐶𝑒 𝑚 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜 ) = 𝑀𝑔ℎ

𝑔ℎ 𝑔ℎ → =𝐴 = 𝑇𝑓 𝐶𝑒 𝑚 𝐶𝑒 𝑚 2 9.81𝑚/𝑠 (1.001𝑚) 0.01336 (º𝐾. 𝑘𝑔) = 𝐶𝑒(0.175𝑘𝑔) 2 9.81𝑚/𝑠 (1.001𝑚) → 𝐶𝑒 = 4200.08𝐽/(𝑘𝑔. º𝐾) 𝐶𝑒 = 0.01336 (º𝐾. 𝑘𝑔)(0.175𝑘𝑔) 𝑇𝑜 + 𝑀

Comparación porcentual entre valor bibliográfico y experimental: |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| 𝑥100% = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| |4200.08 − 4186| 𝑥100% = 3.36𝑥 10−3 𝑥100% = 0.33% |4186| Lo que significa que hay un error porcentual de 0.33% entre el valor bibliográfico y el valor experimental. 2. A partir del intersecto de la gráfica 1, obtenga el valor de la 𝑇𝑜 y compare con la 𝑇𝑜 de E.2. → 𝐶𝑒 𝑚 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜 ) = 𝑀𝑔ℎ 𝑔ℎ → 𝑇𝑜 = 𝐵 𝑇𝑜 + 𝑀 = 𝑇𝑓 𝐶𝑒 𝑚 𝑇𝑜 = 293.004 º𝐾 Comparación porcentual entre valor bibliográfico y experimental: |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| 𝑥100% = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵

→

𝑇𝑓 = 𝐴𝑀 + 𝐵

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|293.004 − 293| 𝑥100% = 1.36𝑥 10−3 𝑥100% = 0.13% |293| Lo que significa que hay un error porcentual de 0.13% entre el valor bibliográfico y el valor experimental. 3. A partir de la pendiente de la gráfica 2, obtenga el valor del 𝐶𝑒𝐻2 𝑜 y compare con el valor del 𝐶𝑒𝐻2 𝑜 de E.2. 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵

→

𝑇𝑓 = 𝐴

1 +𝐵 𝑚

→ 𝐶𝑒 𝑚 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜 ) = 𝑀𝑔ℎ

1 𝑔ℎ𝑀 𝑔ℎ𝑀 =𝐴 = 𝑇𝑓 . → 𝐶𝑒 𝑚 𝐶𝑒 9.81𝑚/𝑠 2 (1.001𝑚)(150𝑘𝑔) 0.242 (º𝐾. 𝑘𝑔) = 𝐶𝑒 9.81𝑚/𝑠 2 (1.001𝑚)(150𝑘𝑔) 𝐶𝑒 = → 𝐶𝑒 = 4194.88𝐽/(𝑘𝑔. º𝐾) 0.242 (º𝐾. 𝑘𝑔) Comparación porcentual entre valor bibliográfico y experimental: |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| 𝑥100% = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| |4194.88 − 4186| 𝑥100% = 2.12𝑥10−3 𝑥100% = 0.21% |4186| Lo que significa que hay un error porcentual de 0.21% entre el valor bibliográfico y el valor experimental. 𝑇𝑜 +

4. A partir del intersecto de la gráfica 2, obtenga el valor de la 𝑇𝑜 y compare con la 𝑇𝑜 de E.2. 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵

→

𝑇𝑓 = 𝐴

1 +𝐵 𝑚

→ 𝐶𝑒 𝑚 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜 ) = 𝑀𝑔ℎ

1 𝑔ℎ𝑀 = 𝑇𝑓 → 𝑇𝑜 = 𝐵 𝑚 𝐶𝑒 𝑇𝑜 = 294.77 º𝐾 Comparación porcentual entre valor bibliográfico y experimental: |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| 𝑥100% = |𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜| |294.77 − 293| 𝑥100% = 6.0𝑥10−3 𝑥100% = 0.6% |293| Lo que significa que hay un error porcentual de 0.6% entre el valor bibliográfico y el valor experimental. 𝑇𝑜 +

H. CONCLUSIONES -

-

-

Los resultados de la primera practica se adaptan bastante bien a las formulas teóricas que se usan en termodinámica el error en este caso es casi nulo, pero se pueden producir errores debido a el intercambio de temperatura entre el agua y el calorímetro. El experimento se complicaría si usaríamos sustancias con distintas capacidades caloríficas. Se evaluó correctamente mediante una simulación virtual el experimento de Joule y obtuvimos el calor especifico teniendo en consideración el concepto de equivalente mecánico de calor. Se realizaron comparaciones entre la teoría y lo experimental para poder calcular los errores porcentuales en la parte práctica. LF-007/ 6 de 12

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I. CUESTIONARIO FINAL 1. El calor específico del agua es bastante grande. Explique por qué este hecho hace al agua particularmente adecuada para sistemas de calefacción (esto es, radiadores de agua caliente). Se llaman así los sistemas de calefacción que utilizan el agua como caloportador entre el sistema de generación, comúnmente una caldera, y los emisores o elementos terminales ubicados en los locales a calefactar. El agua caliente generada se transporta mediante una red de tuberías. El sistema de calefacción por agua caliente, es sin duda, el más extendido en las instalaciones de calefacción. El aumento en la aplicación de sistemas de climatización en todo tipo de edificios, hace que sean cada vez más frecuentes los sistemas de calefacción por aire caliente. Una instalación de calefacción por agua está integrada por tres sistemas: - Sistema de generación: que transforma una energía primaria (combustible, eléctrica, solar, etc…) en energía térmica. - Sistema de distribución: a través de cuyos elementos se transporta la energía térmica desde el sistema de generación hasta el consumo. - Sistema de emisión: formado por elementos que reciben la energía térmica transportada y la emiten o la transmiten al aire ambiente. Cada uno de ellos da lugar a su vez, a diferentes sistemas, que combinados conforman la gran variedad de tipos de instalación que existen en calefacción.

2. ¿Por qué el agua en una cantimplora permanece más fría si la cubierta que la rodea se mantiene húmeda? explique. Esto se debe principalmente a la evaporación ya que es un proceso de enfriamiento que requiere energía para cambiar el agua líquida en vapor, por ejemplo, la energía radiante del sol cae sobre la cantimplora, la energía evaporará el agua de la cubierta que la rodea en lugar de calentar el agua dentro de la cantimplora.

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3. ¿Explique por qué las quemaduras de la piel provocadas por vapor a 100°C con frecuencia son más severas que las quemaduras causadas por agua a 100°C Partamos de que una quemadura es físicamente una transferencia violenta de energía entre un medio que la posee y otro que la recibe sin capacidad de disipar ésa energía. En el caso del agua, la diferencia reside en que un gas tiene mucho mayor energía interna/calor (por ejemplo, mayor movilidad de partículas) que la misma materia en estado líquido (fíjate que al agua debió entregársele calor para evaporarla).al quemar con vapor, pasa de vapor a agua ahí desprende energía y después el agua se enfría un segundo aporte de calor o sea por esto es peor con vapor que solo agua.

4. ¿La exposición a temperaturas bajo cero puede provocar quemaduras por congelamiento? explique. La exposición a temperaturas bajo cero puede provocar quemaduras por congelamiento, una afección muy poco frecuente, pero es debido a que la piel perderá la sensación térmica y al mínimo cambio de temperatura sentirá un punto de calor grande. El congelamiento puede afectar cualquier área de la piel y, en temperaturas extremadamente frías, puede aparecer en cuestión de minutos.

J. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL Autor ZearsZemansky Serway -

Título

Edición

Fisica universitaria

Pearson

1999

Fisica para ciencias e ingenierias Thomson http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/joule/joule.html -

2005

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Año

-

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K. BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA 1. Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año 2016. 2. Ángel Franco García, Curso Interactivo de Física en Internet, 2015 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/index.html

ANEXO:

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