8/10/2019 Informe VIII Experimentos de Fsica II

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EFECTO JOULEJohan Arana (1323536) Mauricio Erazo (1323031) Darwin Daz (1325923) Grupo: 7

UNIVERSIDAD DEL VALLEFACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS

DEPARTAMENTO DE FSICASantiago de Cali, octubre de 2014

RESUMEN

Con el objetivo de reconocer la disipacin elctrica en forma de calor (efecto Joule) por el paso de

una corriente a travs de una resistencia, y a su vez obtener experimentalmente el equivalente

mecnico del calor (J) en unidades Joules/calora, se procedi a crear un circuito simple en donde

la resistencia se sumergi en agua contenida en un calormetro. Esta agua tiene la funcionalidad

de absorber de manera homognea el calor emitido por la resistencia. Para medir este calor se

hizo uso de un termmetro. Con esta medida de temperatura que vara en el tiempo, se puede

determinar la constante mecnica de calor. Ya obtenido los resultados, donde las variables de

corriente y voltaje permanecieron constantes, se observ una relacin lineal presente entre la

temperatura y el tiempo, hiptesis esperada de la teora, y adems suponiendo que el agua es un

cuerpo homogneo en el cual la temperatura varia de una manera uniforme, las ecuaciones

tericas son buenas aproximaciones a la realidad.

Palabras clave: efecto Joule, corriente, resistencia, equivalente mecnico del calor, calormetro,temperatura, tiempo, principio de conservacin de la energa.

INTRODUCCIN

Ya que todo material va a presentar una

cierta resistencia al flujo libre de electrones a

travs de l, es fcil imaginar que la energa

cintica de los portadores de carga se

disminuya un cierto grado cuando atraviesen

estos materiales. Dicha disminucin de

energa cintica es reflejada en un aumento

en la temperatura del material,

corroborndose una vez ms la ley de

conservacin de la energa. A este fenmeno

se le conoce como Efecto Joule en honor a

su descubridor, el fsico britnico James

Prescott Joule.

En el experimento del que trata este informe,

se podr evidenciar el Efecto Joule al

observar un aumento en la temperatura del

medio en el cual se encuentra una

resistencia elctrica por la cual circula una

corriente.

MARCO TERICO

En un circuito donde se encuentra presente

una resistencia por la cual pasa una

corriente, se hace presencia de un efecto

debido a la conservacin de la energa y la

interaccin entre las partculas de la

resistencia y las cargas en movimiento,

denominado efecto Joule. Se debe a que la

resistencia elctrica libera energa en forma

calor cuando una corriente elctrica circula a

travs de ella. Este calor liberado es

absorbido por el medio que rodea la rodea.

La ley de Joule establece que rapidez con

que se disipa energa elctrica en forma de

calor en el resistor est dado por:

= = , (1)

donde es la cada de potencial en laresistencia, la corriente que circula por ellay

la potencia o rapidez con que se disipa

calor.

Resolviendo la ecuacin anterior para

determinar la energa cedida durante un

tiempo se tiene que:

= = (). (2)

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Para el caso de que la resistencia R este

sumergida en agua a una temperatura yque el agua a su vez este contenida dentro

de un calormetro de masa , se obtiene lasiguiente proporcin:

= () (3)En donde la energa elctrica se transforma

en energa calrica, debido a la conservacin

de la energa.

Para el caso del sistema plateado se tiene

que el (calor del sistema), es igual a: = + , (4)

siendo,

= (5) = . (6)donde y , corresponden al calorespecifico del agua y del calormetro

respectivamente, representa elincremento en la temperatura por encima del

valor inicial .Reemplazando (5) y (6) en (4) se obtiene:

= ( + ). (7)

Para determinar el equivalente mecnicodel calor J en Joules/calora, relacionamoslas cantidades de y de la siguientemanera y debe dar igual a:

= =

=4.186

, (8)

Teniendo en cuenta que las magnitudes

mensurables son el cambio de temperatura y

el cambio del tiempo, se puede reescribir laecuacin (8) de la siguiente manera:

= 1

,tomando = 0, se tiene:

() = 1

+ . (9)

De donde se obtiene que la pendiente es

igual a:

= 1

(10)

De esta ecuacin terica se permite obtener

el valor del equivalente mecnico del calor J

de manera experimental.

MONTAJE EXPERIMENTAL

Para esta prctica fue necesario:

Calormetro con resistencia elctrica, fuente

de potencial, restato, cables de conexin,

termmetro, cronmetro, ampermetro,

voltmetro, balanza, sensor trmico.

En primer lugar se procedi a conectar elcircuito necesario para cumplir con los

objetivos de esta prctica, el cual constaba

de una fuente de alimentacin, un

ampermetro, un voltmetro, un restato y una

resistencia que ms adelante se sumergir

en una cantidad determinada de agua.

Posteriormente, con el circuito ya listo y la

resistencia sumergida en agua, se midi la

temperatura del agua con el sensor trmico

para obtener la temperatura inicial del

sistema y presenciar el incremento de esta

una vez encendido el circuito.

Ahora s, para empezar a tomar los datos de

temperatura respecto al tiempo, se cerr el

circuito e inmediatamente se empez a medir

el tiempo con el cronmetro. Se tom nota

del tiempo para cada incremento de 1C en la

temperatura del agua. El procedimiento

anterior se repiti para tres distintas masas

de agua y los datos fueron tabulados y

graficados para encontrar el equivalente

mecnico del calor J.

ANLISIS Y CONCLUSIONES

Debido a que se hicieron mediciones de

temperatura y tiempo para diferentes masas

de agua, se obtuvieron los valores de Mc

para cada caso, recordando que:

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()= + .. ,donde, Mi es la masa de agua utilizada en la

medicin i-sima para i= 1,2,3;

= 1 , . = 0.217 . = 46.68 ,

se tiene que:

= 112.97 , = 160.15 = 210.02 .Para cada valor de se obtuvierondiferentes valores promedio del producto

entre voltaje y corriente, como se muestra a

continuacin:

Para =102.84

= (13.42 0.07)

Cuando =150.02= (13.23 0.07)Y por ltimo, para =199.89= (14.9 0.08) .Con la intencin de ver la naturaleza de la

relacin temperatura-tiempo, se grafican los

datos obtenidos y se crea una lnea de

tendencia para cada uno de los tres valores

de masa de agua (Ver Grfica 1).

Figura 1: Relacin cambio de temperatura en el

tiempo.

Despus de realizar un ajuste de mnimos

cuadrados se encontr que la pendiente (),el intercepto ( ) y el coeficiente decorrelacin ( ) para la medicin i-sima

(donde i= 1, 2,3), se muestran en la tabla

Ver anexos.

Debido a la cercana de los coeficientes de

correlacin a la unidad se puede concluir que

los valores de temperatura medidos tienen

una dependencia lineal con el tiempo.

Con la intencin de obtener el equivalente

mecnico del calor (J) para cada proceso demedicin ((), ,()), este se despejade la ecuacin (9) obteniendo as:

=()/ ()donde para i= 1,2 y 3, J y el error relativo

asociado a este valor(Erelat.-i) son :

= 3.60 =14.0% = 3.59 =14.2% = 3.73 =10.9%Las diferencias obtenidas entre los valores

experimentales y el valor terico se deben a

las incertidumbres de las mediciones y a las

simplificaciones del modelo.

Con la intencin de conocer con precisin el

aporte del producto de la masa y el calor

especfico de los elementos en contacto con

el agua, se linealiza la expresin:

1 = ( )

REFERENCIAS

[1] Fsica tomo II, R. A. Serway, cap. 28, 3raedicin. Editorial McGraw Hill.[2] Fsica Para Ciencias e Ingeniera, Tomo2; Paul A. Tipler[3] Fsica; M. Alonso, E. Finn; tomo 2Editorial Addison Wesley Iberoamericana

[4]Efecto Joule. Depto. de Fsica (2014).Gua de laboratorio de experimentos de fsica

II. Universidad del Valle.

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0 500 1000

Temperatura Vs tiempo

T(t) para

Magua=150.0

2g

T(t) para

Magua=102.8

4g

T(t) para

Magua=199.8

9g

T ( C

1)

t (seg

1)

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