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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26
28
30
32
34
36
38
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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