UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOMOMA DE MEXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ACATLÁN

PRACTICA No. 7EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

FECHA DE ENTREGA 20 de junio del 2013

Introducción

El equivalente mecánico del calor es la forma en que un objeto puede cambiar su temperatura, al realizar algún movimiento repetitivo, y por consecuencia tiene una fricción con el medio en el que se mueve y este le causa un cambio de temperatura, a esto se le llama trabajo que es representada por el producto del peso por la distancia.Todo objeto tiene una energía cinética y potencial especial dependiendo de sus características físicas y químicas, de estos dos tipos de energía, proviene el trabajo y de qué manera se manifestara en cada objeto.

ObjetivoDeterminar el equivalente mecánico del calor aplicando el principio de conservación de la energía y el experimento de Joule.Teoría1. Experimento de JouleEn el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje. La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta 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). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan latemperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.1 cal=4.186 J |En la 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, etc.* Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical* m la masa de agua del calorímetro* T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final* g=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.Mgh=mc(T-T0)Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).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.

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2. Energía Potencial.La energía potencial que posee es sistema en virtud de sus posiciones o condiciones se llama energía potencial. Como la energía se expresa así misma en forma de trabajo, la energía potencial implica que debe haber un potencial para realizar trabajo. Por ejemplo supongamos que el martinete de la figura siguiente se utiliza para levantar un cuerpo cuyo peso es W hasta que una altura h por arriba del pilote colocado sobre el suelo. Decimos que el sistema Tierra-cuerpo tiene una energía potencial gravitacional. Cuando dicho cuerpo se deja caer, realiza un trabajo al golpear el pilote. Si es lo bastante pesado y cae de una altura suficientemente grande, el trabajo realizado provoca que el pilote recorra una distancia s.La fuerza externa F necesaria para elevar el cuerpo debe ser por lo menos igual al peso W. Entonces, el trabajo realizado por el sistema está dado por:trabajo=Wh=mghEsta cantidad de trabajo también puede ser realizada por el cuerpo después de que ha caído una distancia h. por lo tanto el cuerpo tiene una energía potencial igual en magnitud de trabajo externo necesario para elevarlo. Esta energía no proviene del sistema Tierra-Cuerpo, si no que resulta del trabajo realizado sobre el sistema por un agente externo. Solamente una fuerza externa, como F en la figura siguiente la fricción puede añadir o extraer energía del sistema formado por el cuerpo y la Tierra.A partir de este análisis, observe que la energía potencial Ep puede calcularse tomado como base.Para levantar una masa m hasta un altura h se requiere un trabajo de mgh, por lo tanto, el sistema Tierra-Cuerpo tiene una energía potencial Ep=mgh cuando la masa se suelta tiene la capacidad para realizar el trabajo equivalente a mgh sobre el pilote.Le energía potencial depende de la elección de un nivel de referencia en particular.La energía potencial gravitacional en el caso de un avión es muy diferente cuando se mide con respecto a la cima de unamontaña, un rascacielos o el nivel del mar. La capacidad de realizar un trabajo es mucho mayor si el avión cae al nivel del mar. La energía potencial tiene un físico únicamente cuando se establece un nivel de referencia.

3. Energía Cinética.Energía que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento.Hemos definido la energía cinética como la capacidad de realizar un trabajo como resultado del movimiento de un cuerpo. Para analizar la reacción entre movimiento y trabajo, consideremos una fuerza constante F que actúa sobre un bloque, como indica la figura. Considere que el bloque tiene una velocidad inicial V0 y que la fuerza F actúa a través de la distancia s, haciendo que la velocidad aumente hasta un valor final Vf. Si el cuerpo tiene una masa m, la segunda ley de Newton nos dice que ganara velocidad, o aceleración, en una proporción dad por.a=Fm

Hasta que alcance la velocidad final Vf.2as=Vf2-V02Sustituyendo esto en la ecuación anterior:Fm=Vf2-V022sDonde podrá ser resuelta para el producto Fs y obtener:Fs=12mVf2-12mV02La cantidad el lado izquierdo de la ecuación anterior representa el trabajo realizado sobre la masa m. la cantidad del lado derecho debe ser el cambio registrado en la energía cinética como resultado de este trabajo. Por lo tanto, podemos definir la energía cinética Ec como:Ec=12mV2

4. Trabajo

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En física, se entiende por trabajo a la cantidad de fuerza multiplicada por la distancia que recorre dicha fuerza. Esta puede ser aplicada a un punto imaginario o a un cuerpo para moverlo. Pero hay que tener en cuenta también, que la dirección de la fuerza puede o no coincidir con la dirección sobre la que se está moviendo el cuerpo. En caso de no coincidir, hay que tener en cuenta el ángulo que separa estas dos direcciones.T = F. d. CosαPor lo tanto. El trabajo es igual al producto de la fuerza por la distancia y por el coseno del ángulo que existe entre la dirección de la fuerza y la dirección que recorre el punto o el objeto que se mueve.

5. CalorEl calor es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía.La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el procesomediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

6. Valor del equivalente mecánicoJoluePara elevar la temperatura de un cuerpo o sistema es necesario ponerlo en contacto con otro cuerpo de temperatura mayor o bien realizando trabajo mecánico sobre este, esta energía mecánica si se transforma en energía térmica se mide en calorías; se encontró la relación entre las caloríficas y las unidades de Joule mediante una experiencia en la cual la energía mecánica es transformada íntegramente en energía térmica. Joule determino la equivalencia de 4.186 Julios = 1 cal, a través de un aparato en el cual unos pesos que caen pierden energía mecánica, haciendo girar un conjunto de paletas dentro de un recipiente que contiene agua, originando calentamiento del agua.Rowland4.188 Julios= 1calEquipo y material1. Balanza o báscula2. Mercurio3. Tubo de acrílico con tapas de hierro aislado térmicamente4. Vaso de precipitados5. Flexómetro6. Termómetro7. Guantes8. EmbudoProcedimiento1. Tarar la báscula con el vaso de precipitados2. Determinar la masa del mercurio con la báscula 3. Introducir el mercurio en el tubo y determinar la temperatura4. Medir y registrar la distancia del tubo de la parte baja de la tapa a la superficie de mercurio5. Ponerse un guante6. Ya bien cerrado girarlo con rapidez (30 veces por cada alumno),

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permitiendo que el mercurio caiga libremente.7. Abrir rápidamente la tapa y registra su temperatura8. Con eso datos determinar; trabajo y calor generado por los golpes

ResultadosResultados de Héctor Adrián Martínez Trujillo∆T=Te-Ti=27.5°C-23.5°C=4°Ch= .525(30)(16)=252mJ=WQ=Nmm∆tce=.9Kg(252m).9Kg4°C(.033KcalKg°C)=226.8 Kg/S20.1188kcal=1909.09Nm/Kcal.Resultados de Osvaldo Mendoza Martinez

W=Fw*d(h) h=(0.525m)(30)(16) h=252mW=0.9kg252m=226.8 kg*mTi=23.5 ºCTf=27.5∆t=4ºCQ=(0.9kg)(4ºC)(0.033KcalKgºCQ=0.1188KcalJ=WQJ=226.80.1188=1909.09

Conclusiones

Conclusiones de Héctor Adrián Martínez TrujilloEl calor y la energía mecánica pueden expresarse en la misma unidad. El trabajo y el calor están relacionados, así mismo podemos definir que entre más trabajo mayor temperatura.

Conclusiones de Osvaldo Mendoza MartínezEl equivalente mecánico del calor, es el calor que se genera atreves de un trabajo y apoya a la teoría de la conservación de la energía, que a aplicar una fuerza sobre el objeto para que se mueva no se pierde esa energía, ya que se transforma en trabajo, y el trabajo a su vez transforma esa energía en calor al tener una fricción el objeto al interaccionar con el medio.

BibliografíaResnick, H. k. (2010). Física volumen 1. México: Patria.http://quimicayalgomas.com.ar/fisica/trabajo-concepto-en-fisicaWark, K. (1991), Termodinámica (5ª edición), México: McGraw-Hillhttp://www.fis.puc.cl/~jalfaro/fis1522/OndasyCalor/termo1/termo1.html

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TEMA: TermodinamicaNOMBRE:Univ. Flores Ramos Madai Eugenia CI:4073667 –Or.MATERIA: FIS-1102-“I”FECHA DE ENTREGA:20 de junio del 2013

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