EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

Vista previa del material en texto

Formato tomado y modificado de: © The Royal Society of Chemistry 2015 con fines educativos. Laboratorio de Física 3 - UDLS., 2015, 00, 
1-3 | 1 
Práctica 11: Equivalente mecánico del calor 
Mesa: 05 
Laboratorio de Física 3 
Departamento de Ciencias Básicas 
Profesor Andrés Felipe Méndez-Arenas MSc. 
Informe de Laboratorio 
Equivalente mecánico del calor 
Melgarejo León Duban,
 a
 Mesa Lombana Duvan
 b,
 and Hermosa Guerrero Daniel
c 
 
Resumen 
En el siglo XIX, Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, 
y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Con su experimento, Joule demostro que se podía 
elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica. Y lo que que encontró fue que 1cal =4.18J 
este descubrimiento lo llevo a la teoría de la conservación de la energía mecánica llegando a que . 
 
La práctica a realizar se llevó a cabo determinando el equivalente mecánico de calor midiendo el voltaje de la 
resistencia, el valor de la corriente y luego por medio de cálculos se halla la energía suministrada por la 
fuente luego se calcula la cantidad de calor en calorías necesarias para aumentar la temperatura del agua y 
el calorímetro. Por medio de los valores hallados, se encontró el calor especifico experimental que fue de (J/kg*K) con un error porcentual del 24,02% , Además de esto se logró determinar que el porcentaje 
de energía eléctrica que no se trasformó en calor arrojando un error porcentual mínimo de 11,93% y un 
error máximo del 53,23% , con un promedio de error del 29,5 % esto presentado por errores 
sistemáticos tanto en el calorímetro como en el amperímetro y errores humanos al momentos de tomar los 
datos como en el termómetro y el cronometro. . En conclusión la práctica no fue completamente exitosa ya 
que se presentaron errores un poco elevados, pero aun asi se logró analizar y entender la primera ley de la 
termodinámica 
Abstract 
In the nineteenth century, Joule devised an experiment to prove that heat was no more than a form of 
energy, and that it could be obtained from mechanical energy. With his experiment, Joule showed that the 
water temperature could be raised by transferring mechanical energy. And what he found was that 1cal = 
4.18J this discovery led him to the theory of the conservation of mechanical energy coming to E = IVt = C_A 
(Te-T_ (0A)) + C_cal (Te-T_ (0 Cal)) + C ((SE) (Te-T ((SE)). 
 
The practice to be carried out was carried out by determining the mechanical equivalent of heat by 
measuring the voltage of the resistance, the value of the current and then by means of calculations is the 
energy supplied by the source then the amount of heat in calories required To increase the temperature of 
the water and the calorimeter. By means of the values found, the experimental specific heat was 5191.35 (J / 
kg * K) with a percentage error of 24.02%. In addition, it was possible to determine that the percentage of 
electric energy that did not Was transformed into heat yielding a minimum percentage error of 11.93% and a 
maximum error of 53.23%, with a mean error of 29.5%, which was presented by systematic errors in both 
the calorimeter and in the ammeter and human errors To the moments of taking the data as in the 
thermometer and the timer. . In conclusion, the practice was not completely successful. 
 
Informe de Laboratorio Laboratorio de Física 3 – Universidad de la 
Salle 
 
This journal is © The Royal Society of Chemistry 20xx J. Name., 2013, 00, 1-3 | 2 
 
 
Introducción 
 
A comienzos del siglo XIX la gente estaba interesada 
en mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y de 
los cañones. Un hecho evidente era que después de 
algunos disparos los cañones se recalentaban hasta tal 
punto que se volvían inservibles. Esto llevó a la 
observación que debía existir una conexión entre las 
fuerzas mecánicas y químicas involucradas en el 
disparo y el "calórico" como se llamaba el calor en esa 
época. Fue Joule quien estableció la relación precisa 
entre energía mecánica y calor. 
 
Fig1. Experimento de joule para para determinar el 
equivalente mecánico de calor. 
 
 
 
 
embargo todas las demás forma de energía (eléctrica, 
magnética, etc.) se expresan en joules. Sepuede 
transformar cualquier forma de energía en calor y 
viceversa, por lo cual existe una relación entre las unidades 
de calor medidas en calorías y las unidades de energía 
medidas en joules. Esta relación se llama equivalente 
mecánico de calor, la cual es: 
 
 1 Cal = 4,187 J 
El calor es una forma de energía, cuyas unidades se 
expresan particularmente en caloría. Sin La energía se 
puede presentar de diferentes formas: cinética, eléctrica, 
calorífica, etc.; pudiendo transformarse de una en otra. La 
comprobación de que el calor es una forma de energía se 
hizo mediante experimentos que se basaban en 
transformar energía mecánica en calor. De ahí que la razón 
entre la energía W que se transforma en calor Q, W/Q = J 
se le denomine equivalente mecánico del calor. Cualquier 
forma de energía es susceptible de ser transformada en 
energía calorífica, así que se podría hablar también de 
equivalente eléctrico del calor, pero tradicionalmente se ha 
mantenido el nombre inicial. 
En donde, esta práctica está diseñada para estudiar la 
transformación de energía eléctrica en calor, cuya 
manifestación inmediata va a ser la elevación de la 
temperatura de una masa de agua contenida en el 
calorímetro. Según se puede apreciar en la figura superior, 
la energía eléctrica suministrada en un tiempo t por la 
resistencia R (por la que circula una intensidad I), en cuyos 
extremos existe una diferencia de potencial V, se puede 
escribir como: 
W(julios) = VI t (1) 
Esta energía suministrada se disipa en forma de calor Q, 
absorbido por el agua y por el calorímetro. Suponiendo 
despreciables las pérdidas a través del calorímetro se 
verifica que: 
W(julios) = JQ(calorías) (2) 
Siendo Q : 
Q = (Mc + K) T (3) 
 
Donde M es la masa de agua en el calorímetro, c es el calor 
específico del agua, K es el equivalente en agua del 
calorímetro y ΔT es la variación de temperatura 
experimentada por el agua y el calorímetro, durante el 
tiempo de calentamiento Δt. En consecuencia, el 
equivalente J se puede calcular mediante la ecuación (2), 
introduciendo en ella las fórmulas (1) y (3), con lo que 
obtenemos 
 (4) 
 
 
 
 
 
Metodología 
1. Vierta 200 cm
3
 de agua en el calorímetro. 
2. Colo ue la esiste cia de ap oxi ada e te , Ω 
dentro del agua junto con el termómetro. 
 
3. Conecte la resistencia a una fuente de voltaje, un 
amperímetro y un voltimetro formando el circuito que 
se muestra en la figura 2. 
 
Informe de Laboratorio Laboratorio de Física 3 – Universidad de la 
Salle 
 
This journal is © The Royal Society of Chemistry 20xx J. Name., 2013, 00, 1-3 | 3 
 
Fig 2: montaje, circuito requerido para la pratica 
. 
4. Prenda la fuente y ajuste el voltaje hasta obtener 
aproximadamente una corriente de 3 amperios. 
5. Apague la fuente y espere 5 minutos, mida la 
temperatura del agua. 
6. Prenda La fuente y ponga a funcionar un reloj, mida la 
corriente, el voltaje y la temperatura cada 2 minutos 
 
 
Análisis Cualitativo 
Durante el normal desarrollo de la práctica ocurrieron una serie 
de factores que afectaron la toma de datos y el buen desarrollo 
de la misma provocando una gran falsedad en los datos 
verdaderos, entre los rasgos que aumentaron se encuentran los 
siguientes ítems: 
 
 en la guía nos recomendaba obteneruna corriente de 
3 amperios para un completo funcionamiento del 
montaje, pero al prender la fuente solo se alcanzó a 
llegar a 2,69 , el dato de corriente está en la primera 
fila de tabla No.1 , como se usaba en la formula pudo 
afectar en los cálculos. 
 Es inevitable no mencionar los errores humanos de la 
práctica y estos son más notables al momento de usar 
el cronometro para medir la corriente , el voltaje y la 
temperatura , ya que era cada dos minutos era fácil 
distraerse y tomar un dato erróneo , también que es 
difícil tomarlo exacto , al momento de tomar la 
temperatura esta pudo ser errónea por lectura o por 
no hacerlo correctamente , estos factores influyen en 
la formula por esto se llego hasta 
errores porcentuales hasta del 53,23%. 
 En esta practica el valor del calor especifico del 
calorímetro se tomó de la anterior , y al no ser el 
mismo esto pudo causar una desviación en los datos 
ya que este valor es necesario en la formula ya 
mencionada anteriormente. 
 Por su puesto también existieron errores sistemáticos 
que fueron que el calorímetro no estuviera 
perfectamente sellado , que el amperímetro estaba 
muy usado y desgastado y que el termometro no 
tuviera suficiente graduación para una toma exacta , y 
como en la práctica estas variables eran muy 
importantes obviamente si los datos no podían 
tomarse adecuadamente los errores porcentuales iban 
a ser muy altos por eso no solo se obtuvo un error 
promedio del 29,5%. 
Análisis cuantitativo 
 
Para hallar el calor especifico del calorímetro se utiliza la 
siguiente ecuación: 
 
Para hallar la energía eléctrica suministrada al sistema se utilizan 
las siguientes ecuaciones: 
 
 
Donde E es la energía; P es la potencia; t es el tiempo; I es la 
corriente y V el voltaje. 
 
Reemplazando: 
 
Los resultados se muestran en la tabla n° 2. 
 
Para hallar la energía transformada en calor se utiliza la 
siguiente expresión: 
 
Donde es la capacidad calorífica del agua; la capacidad 
calorífica del calorímetro y la capacidad calorífica del 
sistema. 
 
Sabiendo que las temperaturas iniciales de los tres sistemas 
tenemos: ( 
 
 
Los resultados se muestran en la tabla n° 3 
 
A pa ti del valo de la pe die te de la g áfica de ΔT co t a el 
tiempo determinar el calor específico del agua en sistema 
internacional. (la gráfica se muestra en resultados) 
Se tiene que: 
Informe de Laboratorio Laboratorio de Física 3 – Universidad de la 
Salle 
 
This journal is © The Royal Society of Chemistry 20xx J. Name., 2013, 00, 1-3 | 4 
 ̅ ̅ 
 ̅ ̅ 
 ̅ ̅ 
 
 ̅ ̅ 
 | | 
 
Para calcular el porcentaje de energía eléctrica que no se 
transforma en calor se utiliza la fórmula del error porcentual: | | 
 
Los resultados se muestran en la tabla n° 5. 
 
Resultados 
 
 
Tabla N°1: tabla de datos tomados en 
laboratorio 
tiempo (s) T(°C) Corriente (A) Voltaje (V) 
0 23 2,69 3,1 
120 23,5 2,69 3 
240 24 2,68 3 
360 25 2,67 3 
480 26 2,67 2,9 
600 27,5 2,66 2,9 
720 28 2,65 2,9 
840 29 2,65 2,9 
960 29,5 2,64 2,9 
1080 30 2,64 2,9 
tiempo total= 
1080 s 
promedio= 
2,664 A 
promedio= 
2,95 
 
 
 
 
 
Tabla N° 2: energía eléctrica suministrada al 
sistema 
Corriente (A) Voltaje (V) tiempo (s) energía (J) 
2,69 3,1 0 0 
2,69 3 120 968,4 
2,68 3 240 1929,6 
2,67 3 360 2883,6 
2,67 2,9 480 3716,64 
2,66 2,9 600 4628,4 
2,65 2,9 720 5533,2 
2,65 2,9 840 6455,4 
2,64 2,9 960 7349,76 
2,64 2,9 1080 8268,48 
 
 
 
Tabla N° 3: energía transformada en calor 
Tf (°C) To (°C) E (J) 
23 23 0 
23,5 23 452,901 
24 23 905,802 
25 23 1811,604 
26 23 2717,406 
27,5 23 4076,109 
28 23 4529,01 
29 23 5434,812 
29,5 23 5887,713 
30 23 6340,614 
 
Tabla N° 4: calor especifico del agua 
Cteo (J/kg*K) Cexp (J/kg*K) % error 
4186 24,02% 
 
 
 
 
R² = 0,9851 
-2
0
2
4
6
8
0 500 1000 1500
ΔT
 
tiempo (s) 
cambio de temperatura vs tiempo 
Informe de Laboratorio Laboratorio de Física 3 – Universidad de la 
Salle 
 
This journal is © The Royal Society of Chemistry 20xx J. Name., 2013, 00, 1-3 | 5 
 
 
Tabla N° 5: porcentaje de energia eléctrica que 
no se transforma en calor. 
E 
suministrada 
(J) 
E 
transformada 
en calor (J) % error 
0 0 0,00% 
968,4 452,901 53,23% 
1929,6 905,802 53,06% 
2883,6 1811,604 37,18% 
3716,64 2717,406 26,89% 
4628,4 4076,109 11,93% 
5533,2 4529,01 18,15% 
6455,4 5434,812 15,81% 
7349,76 5887,713 19,89% 
8268,48 6340,614 23,32% 
 
 
 
Conclusiones 
 
 En esta práctica Se logro hallar la energía 
suministrada al sistema, la cual fue para el 
experimento energía eléctrica, mediante la 
expresión: E=VIt que se puede apreciar en la 
tabla No.2 de los resultados, al igual que la 
energía transformada en calor que se puede 
apreciar en la tabla No3. 
 Al hallar el porcentaje de energía eléctrica que 
no se transforma en calor se encontraron errores 
bastante altos ya que se obtuvo un error mínimo 
del 11,93% y un error máximo del 53,23% , con 
un promedio de error del 29,5 % 
Estos causados más que todo por errores 
humanos, al momento de obtener los datos de la 
temperatura al ojo por medio del termómetro, al 
igual que el tiempo, ya que es bastante difícil 
medir justo en el momento exacto que se desea 
obtener este valor y se sabe que el tiempo es 
una variable muy importante en la fórmula que 
usamos E = V I t = (mACA+CC+ mSECSE) (Tf - T0) 
También puede explicarse por los errores sistemáticos 
del calorímetro que no estaba perfectamente sellado 
por lo que los datos pudieron ser alterados, además el 
amperímetro estaba muy desgastado influyendo en la 
toma de datos de corriente que fueron necesarios 
para la práctica como se observa en la tabla No2 . 
 La función obtenida de la gráfica de diferencias de 
temperatura vs tiempo fue T(t)= 0,0071t- 0,2818 esta 
ayudo en el calculo del valor experimental del 
calor especifico del agua. 
 
 
 
 el valor experimental del calor especifico del 
agua fue de J/kg*K) y se comparó con 
el teórico que corresponde a 4186 (J/kg*K) 
presentando un error porcentual del 24,02%. 
 
 
 
 
 
Bibliografía 
 
 Sears, Zemansky, Young, Freedman. Física 
Universitaria con Fisica Moderna, Vol. 1, 
Decimosegunda Edición, Person education, 
Mexico, 2009. 
 French, A.P. Vibraciones y ondas. Editorial 
reverte, s.a. publicado por MIT (Massachusetts 
institute of tecnology). 
 Serway, Raymon. Beichner Robert J. física para 
ciencias e ingeniería. Tomo I. McGRAW-HILL.